王子興，楊美娥

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

自上世紀(jì)90年代開始，管式加熱爐的建造逐漸由傳統(tǒng)方式的設(shè)計(jì)、制造、安裝向工業(yè)爐的模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。根據(jù)工業(yè)爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其按結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸限制等要求劃分成若干個(gè)部件，每一部件能以模塊集成而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，稱為工業(yè)爐模塊化設(shè)計(jì)[1]。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是影響管式加熱爐建造質(zhì)量、建造周期的首要因素，成熟的模塊化設(shè)計(jì)不但能縮短工程周期，而且能節(jié)約運(yùn)輸和建造成本。按照模塊化程度的不同，管式加熱爐的模塊化主要有3種形式：傳統(tǒng)的分體制造運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組裝，部分模塊化以及整體模塊化[2]。

目前，國(guó)外大型工程公司為確保工程質(zhì)量節(jié)省費(fèi)用投資多采用整體模塊化設(shè)計(jì)。如1992年沙特阿拉伯石油化工公司500kt/a乙烯裝置中的10臺(tái)Kellogg毫秒裂解爐，在比利時(shí)Antwerp制造，交貨狀態(tài)以兩臺(tái)為一組，5組模塊整體交付；2008年新加坡Jurong島?？松梨诨瘜W(xué)廠100kt/a乙烯裝置中的7臺(tái)ExxonMobil裂解爐及整體管廊，由Heurtey Petrochem公司在泰國(guó)Sattahip港進(jìn)行整體模塊化制造。交貨狀態(tài)包括爐體，鋼結(jié)構(gòu)，所有附屬設(shè)備，儀表，配管，電氣，電纜及照明。國(guó)內(nèi)由于受到制造、運(yùn)輸及施工條件等因素的限制，基本采用部分模塊化的設(shè)計(jì)方式[3-6]。

本文以某煉化裝置中的反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐為例，對(duì)管式加熱爐的輻射段，對(duì)流段及煙囪段部分模塊化設(shè)計(jì)實(shí)施方法進(jìn)行具體介紹。反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為12.26MW，爐型為對(duì)流-輻射型立式圓筒加熱爐，對(duì)流段與輻射段均加熱同一種工藝介質(zhì)。綜合考慮加熱爐的結(jié)構(gòu)，制造和運(yùn)輸條件等因素，采用部分模塊化的設(shè)計(jì)方式。反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐總圖如圖1所示。

圖1 反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐總圖

1 輻射段的模塊化

1.1 爐底模塊化設(shè)計(jì)

反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐的爐底直徑為Φ7962mm，由于超出公路運(yùn)輸高度和寬度的限制，因此爐底鋼結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。爐底柱腳板模塊化設(shè)計(jì)采用整體柱腳板結(jié)構(gòu)，一半帶整體底板，另一半組合后用高強(qiáng)度螺栓連接的結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示；爐底柱腳板組裝后的結(jié)構(gòu)如圖2-2，柱腳板現(xiàn)場(chǎng)組裝后施加密封焊。

1.底板整體結(jié)構(gòu) 2.組裝結(jié)構(gòu)

爐底環(huán)梁和爐底梁的分塊數(shù)量應(yīng)與爐底柱的分塊相一致。爐底環(huán)梁采用箱型槽鋼結(jié)構(gòu)，模塊分塊處用連接鋼板進(jìn)行連接，爐底梁則采用同型號(hào)的槽鋼"背靠背"方式進(jìn)行分塊，現(xiàn)場(chǎng)組裝后用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，爐底連接界面之間采用內(nèi)側(cè)連續(xù)焊，外側(cè)間斷焊。為滿足爐底鋼結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性的要求，爐底中心設(shè)置中心柱進(jìn)行支撐。爐底中心柱與爐底梁連接處各設(shè)置一塊托板，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將各自的托板進(jìn)行對(duì)接，并用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 爐底中心柱連接結(jié)構(gòu)圖

1.2 爐體模塊化設(shè)計(jì)

加熱爐輻射段爐體的模塊化主要是對(duì)爐體立柱和爐墻的分塊設(shè)計(jì)。本臺(tái)加熱爐輻射段直徑Φ7282mm，高度12430mm。爐體立柱選用H型鋼，為保證立柱的整體強(qiáng)度不被削弱采用兩個(gè)同型號(hào)的槽鋼“背靠背”高強(qiáng)螺栓連接附加現(xiàn)場(chǎng)焊接的方式進(jìn)行代替，如圖4所示。

圖4 輻射段立柱分塊結(jié)構(gòu)圖

考慮到爐膛的密封性以及現(xiàn)場(chǎng)焊接施工問題，對(duì)于輻射段端墻、側(cè)墻相鄰兩個(gè)模塊連接界面之間采用爐內(nèi)間斷焊，外側(cè)連續(xù)焊結(jié)構(gòu)。在連接面處設(shè)置耐高溫，具有一定密封作用的材料，如陶瓷纖維繩(帶)，高溫密封膠等，以此增加結(jié)構(gòu)的密封性，減少漏風(fēng)損失保證加熱爐熱效率。模塊柱頂與副框架立柱連接，采用兩個(gè)背對(duì)的槽鋼各帶一半柱頂板與副框架立柱底板先用高強(qiáng)度螺栓連接，再在連接板之間施加強(qiáng)度焊，如圖5立柱螺栓焊接連接結(jié)構(gòu)圖。

圖5 立柱螺栓連接結(jié)構(gòu)圖

1.3 爐頂模塊化設(shè)計(jì)

輻射段爐頂環(huán)梁結(jié)構(gòu)與爐底環(huán)梁結(jié)構(gòu)相類似，因而其模塊化設(shè)計(jì)方式一致。根據(jù)輻射段爐頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，爐頂板與爐頂梁同時(shí)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)。分塊的原則盡量沿對(duì)流室爐管方向的橫梁進(jìn)行分割。其中沿對(duì)流盤管方向和垂直盤管方向橫梁間的連接尤為重要，因此采用沿對(duì)流盤管方向的橫梁上焊接兩塊連接角鋼，連接角鋼另一端和垂直盤管方向的橫梁用高強(qiáng)度螺栓連接的方式。為保證爐頂板的剛度，在爐頂板各模塊上焊接一定量的加強(qiáng)筋。爐頂分塊之間連接后內(nèi)外側(cè)均采用連續(xù)焊，以確保爐頂?shù)拿芊庑浴?/p>

2 對(duì)流段的模塊化

加熱爐對(duì)流段尺寸5700mm(長(zhǎng))×3200mm(寬)×5200(高)，對(duì)流段模塊包含鋼結(jié)構(gòu)、爐殼板及其加強(qiáng)筋、管束、導(dǎo)向架、彎頭箱、襯里及錨固件、儀表接管、人孔等。對(duì)流段的爐管為水平布置，共分為上下兩組。對(duì)流段模塊化設(shè)計(jì)沿盤管布置方向按照制造、運(yùn)輸能力等條件被分割成兩個(gè)模塊。然后以"搭積木"的形式在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接，模塊之間連接處的立柱采用與輻射段模塊分割方式進(jìn)行，如圖5所示。模塊連接界面之間采用外側(cè)密封焊。

對(duì)流模塊襯里厚度根據(jù)對(duì)流段管排最外側(cè)尺寸進(jìn)行調(diào)整，側(cè)墻襯里上設(shè)置折流凸臺(tái)。對(duì)流段模塊襯里下部設(shè)置襯里護(hù)板，襯里護(hù)板寬度小于襯里厚度。由于襯里護(hù)板寬度大于50mm，因此沿長(zhǎng)度方向每隔300～500mm設(shè)置一個(gè)3mm寬切口。護(hù)板與爐殼板之間宜采用間斷焊。對(duì)流段模塊分界的襯里結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 對(duì)流段模塊分界處襯里結(jié)構(gòu)圖

對(duì)流段副框架被分割成梁構(gòu)件和柱構(gòu)件兩部分，構(gòu)件之間的連接利用連接角鋼采用高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)。對(duì)流段副框架與主框架之間的連接形式采用連接角鋼和對(duì)流段立柱焊接在一起，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)采用高強(qiáng)度螺栓將其與副框架的橫梁相連接，最后施加密封焊。

3 煙囪段的模塊化

煙囪高度19100mm，依據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門有害物允許排放濃度煙囪經(jīng)40m高度進(jìn)行排放。由于煙囪的直徑較小，按懸臂梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此對(duì)于煙囪的模塊化設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是對(duì)煙囪的分段處理。該煙囪共分為3段，煙囪分段連接處焊接連接法蘭，現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，考慮到法蘭面的強(qiáng)度問題，相鄰兩個(gè)螺栓之間用筋板進(jìn)行加強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 煙囪段分段連接結(jié)構(gòu)圖

4 模塊化設(shè)計(jì)的主要問題

管式加熱爐的模塊化設(shè)計(jì)目的在于滿足制造、運(yùn)輸和施工過程的便捷性以及投資費(fèi)用的最小化。為實(shí)現(xiàn)更好的模塊化設(shè)計(jì)，加熱爐的設(shè)計(jì)工作者還需注意以下幾個(gè)方面：

4.1 合理的劃分模塊

合理的劃分模塊化設(shè)計(jì)是保證制造、運(yùn)輸和安裝的首要影響因素。設(shè)計(jì)者需要對(duì)加熱爐的爐體、運(yùn)輸及安裝做充分的調(diào)研，在不削弱爐體各部分強(qiáng)度及剛度的前提下，滿足從工廠到安裝地點(diǎn)的運(yùn)輸條件，并完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 變形控制

設(shè)計(jì)者應(yīng)在焊接接頭高度、單個(gè)模塊側(cè)墻尺寸允許偏差、預(yù)組裝尺寸允許偏差、模塊尺寸以及最終模塊尺寸等方面做出相應(yīng)的規(guī)范及要求。以保證制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中出現(xiàn)模塊變形問題，影響施工質(zhì)量，將變形降低到允許的范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)已有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)模塊化的制作過程中的變形及尺寸要求做出了相應(yīng)的規(guī)定[1，7-8]。

4.3 模塊間的密封

雖然模塊化設(shè)計(jì)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但模塊與模塊之間的拼接會(huì)加大漏風(fēng)系數(shù)，這便給加熱爐的熱效率帶來了新的問題。加熱爐熱效率的高低對(duì)裝置的能耗水平有直接的、重要的影響，是衡量加熱爐先進(jìn)性的重要指標(biāo)[9]。設(shè)計(jì)者應(yīng)確保加熱爐的熱效率不因模塊化的設(shè)計(jì)而受到影響。如對(duì)流段模塊化設(shè)計(jì)中，應(yīng)在模塊對(duì)接處預(yù)留15mm左右的縫隙，施工時(shí)用陶瓷纖維毯進(jìn)行填充，然后進(jìn)行對(duì)接，見圖6。

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐輻射段、對(duì)流段及煙囪段的模塊化設(shè)計(jì)具體實(shí)施方法。通過對(duì)反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐的模塊化設(shè)計(jì)，縮短了加熱爐的建造周期，節(jié)省費(fèi)用投資并確保了加熱爐本體的現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。另外，加熱爐的模塊化設(shè)計(jì)除依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，還應(yīng)與制造、運(yùn)輸及安裝緊密結(jié)合，以提高項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量，縮短建設(shè)周期。

[1] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. HG/T20659-2014化學(xué)工業(yè)管式爐對(duì)流段模塊技術(shù)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2015.

[2] 余海軍.石油化工圓筒爐模塊化設(shè)計(jì)[J].工業(yè)爐,2013,35(5):26-30.

[3] 劉 克,王 宏,倪云峰,等.裂解爐對(duì)流段的模塊化設(shè)計(jì)[J].化工科技,2009,17(3):51-53.

[4] 蔡建光.加熱爐的模塊化設(shè)計(jì)與工廠制造[J].工業(yè)爐,2003,24(5):34-36.

[5] 史方軍,郭慧波.石油化工工業(yè)爐模塊化設(shè)計(jì)、制造與安裝[J].化工設(shè)備與管道,2011,48(4):15-18.

[6] 王昌冕.石油化工裝置加熱爐模塊化設(shè)計(jì)[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā),2012,31(25):36-37.

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). HG/T20541-2006化學(xué)工業(yè)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007.

[8] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). SH/T3036-2003一般煉油裝置用火焰加熱爐[S]. 北京:中國(guó)石化出版社,2004.

[9] 劉 勇.提高加熱爐熱效率方法研究和應(yīng)用[D].大慶:東北石油大學(xué),2015:1-5.

(本文文獻(xiàn)格式：王子興，楊美娥.反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐的模塊化設(shè)計(jì)[J].山東化工，2018，47(02)：94-96.)