朱文俊

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

1 引言

作為重要的無機化工產(chǎn)品， 合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，其用途十分廣泛，對我國化學工業(yè)的發(fā)展特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用。 近年來，隨著科學技術(shù)的進步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平進一步提高，合成氨工業(yè)不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。 氨合成塔作為合成氨裝置中最核心的設(shè)備，隨著生產(chǎn)的大型化，其直徑和重量也隨之不斷增加。 為克服傳統(tǒng)立式合成塔的缺點，目前規(guī)模超過30 萬t/a 的合成氨裝置多采用臥式氨合成塔，其中美國凱洛格-布朗路特公司（KBR）研發(fā)的凱洛格臥式氨合成塔就是其典型代表之一， 在國內(nèi)外應(yīng)用極為廣泛。 本文以內(nèi)蒙古博大實地5080 化肥項目中凱洛格臥式氨合成塔內(nèi)件安裝為例， 通過技術(shù)研發(fā)， 成功改進了原KBR 公司的專有施工技術(shù)方案，在實際應(yīng)用中保證了施工安全質(zhì)量，縮短了工期，取得了良好的經(jīng)濟效果，贏得了業(yè)主的好評，在大型臥式合成塔施工中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 凱洛格臥式氨合成塔簡介

內(nèi)蒙古博大實地5080 化肥項目采用凱洛格-布朗路特組合合成氨技術(shù)， 其核心設(shè)備凱洛格氨合成塔為臥式布置，規(guī)格為φ3000×29960，其中殼體重310t，外形長32m； 內(nèi)件φ2750×26750， 重163t； 觸媒重143t；配帶工裝延長筒、螺栓保護導入架、移動小車、千斤頂?shù)?0 多噸專用安裝、檢修工具。 其中氨合成塔內(nèi)件安裝程序繁多，工序復(fù)雜，精度要求高，催化劑裝填時間短，給現(xiàn)場施工帶來了一定的難度。

3 內(nèi)件安裝工藝流程及施工技術(shù)要點

3.1 內(nèi)件施工工藝流程

凱洛格臥式氨合成塔設(shè)備重量大，內(nèi)件安裝復(fù)雜，精度要求高。 如何把龐大的觸媒籃多次從殼體中靈活的抽出、移入，控制各部位的安裝精度是關(guān)鍵。 其內(nèi)件施工工藝流程圖見圖1。

3.2 連接螺栓設(shè)計改造

目前國內(nèi)外凱洛格臥式氨合成塔設(shè)備內(nèi)件安裝大多采用KBR 公司提供的安裝文件，在設(shè)備制造商現(xiàn)場技術(shù)代表的指導下進行安裝。 由于氨合成塔內(nèi)件重量重（約163t）、安裝長度較長（約26.75m），安裝時須在內(nèi)件外端部安裝專用工裝筒進行接長， 采用移動軌道車輔助安裝。 合成塔內(nèi)件與專用工裝筒的連接采用KBR 公司提供的64 條專用連接螺栓（M36），如圖2、圖3 所示。

圖2 工裝筒（端部與合成塔內(nèi)件端部連接）

圖3 合成塔內(nèi)件（端部與工裝筒端部連接）

設(shè)計文件中連接螺栓（M36）與螺栓孔（M38）的配合間隙小，經(jīng)實測工裝筒每個孔與連接螺栓總的間隙為1.5mm，合成塔內(nèi)件每個孔與連接螺栓總的間隙僅為1mm。 因KBR 公司提供的連接螺栓為緊固型螺栓，不具備導入功能（圖4），導致合成塔內(nèi)件與專用工裝筒間多條連接螺栓對準十分困難，在組裝過程中極易造成螺紋損壞，給施工帶來了很大困難。 為此，中化二建集團有限公司經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，將原緊固型螺栓改為導入緊固型螺栓，即將M36 標準螺栓一頭使用車床加工成M30-M20 錐形螺紋。

圖4 原連接螺栓——緊固型螺栓（M36--64 套）

改造后的螺栓前端為M36， 滿足與內(nèi)件端面絲孔配合，長度同原連接螺栓；中端為φ33，其受力截面與M36 等同，不降低連接強度，滿足剪切力要求；后端為M30，僅起緊固作用，并配雙螺母以滿足要求；尾端為圓錐狀，φ25，長20mm，做導引端，引導螺栓順利穿入螺栓孔。 具體如圖5 所示。

圖5 改造后的螺栓——導入緊固型螺栓（M36--64 套）

3.3 特制M36 套筒型扳手

如圖2、圖3 所示，因64 條連接螺栓間距過小，無法正常使用常規(guī)扳手進行緊固，現(xiàn)場特制M36 套筒型專用扳手， 有效解決了螺栓間距過小無法采用常規(guī)扳手進行緊固的問題。 首先選用δ20 鋼板按照M36 螺栓配套螺母外形尺寸切割出內(nèi)六角孔； 然后采用φ76×3 鋼管作為套筒，套筒長300mm；將制作的內(nèi)六角鋼板套入套筒內(nèi)端部，接觸面滿焊連接，在φ76×3套筒另一端距端部20mm 處垂直穿孔插入φ20×300的圓鋼作為套筒型扳手的手柄。 如圖6 所示。

圖6 特制M36 套筒型扳手

3.4 催化劑裝填方法的改進

KBR 工藝要求合成塔內(nèi)件內(nèi)裝填預(yù)硫化活性催化劑，但在最后一床預(yù)硫化活性催化劑裝填時，因合成氣出口管正好位于人孔處，不能按設(shè)計要求整體裝填，如采用散裝達到裝填密度，則會影響合成效果，又因是活性催化劑，要求短時間內(nèi)裝填完成。 按照KBR 公司技術(shù)要求，需拆除合成氣出口管，利用工裝筒、移動軌道車配合將合成氣出口管移出，以方便人員操作。 但若按KBR 公司技術(shù)要求移除合成氣管，需將合成塔內(nèi)件與工裝筒之間的64 條M36 連接螺栓全部拆除， 為防止合成氣管移出過程中工裝筒失穩(wěn)， 同時需要在工裝筒的另一端增加配重400kg（圖7）。

圖7 原KBR 公司技術(shù)要求操作方法示意圖

上述操作過程僅僅是為催化劑裝填提供方便，操作程序復(fù)雜，精度要求較高，作業(yè)時間較長，手段用料多，成本高，且容易影響催化劑的活性。 經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)攻關(guān)，中化二建集團有限公司提出更改KBR 公司的作業(yè)程序：拆除工裝筒上的移出支架（圖8）；焊接板式吊耳，DN300 導氣管組重400kg，經(jīng)計算，在工裝筒內(nèi)頂部長度方向等間距焊接安裝4 套吊耳，吊耳采用δ=10mm厚Q235 鋼板制作（圖9）；用軟性吊裝帶作吊裝索具，用接力吊裝的辦法移出合成氣管（圖10）。經(jīng)過與KBR公司現(xiàn)場技術(shù)專家的溝通，KBR 公司認為他們多年來采用工裝筒、 移動軌道車配合移出合成氣管的方法不經(jīng)濟、 不可取， 中化二建集團有限公司的施工方法簡單、可靠、可有效保護合成氣管道，特別是節(jié)約了催化劑裝填時間約1 周， 大大降低了活性催化劑暴露在大氣中的時間， 因此同意中化二建集團有限公司的施工方法。

圖8 移出支架

圖9 吊耳布置圖

圖10 技術(shù)改進后操作方法示意圖

3.5 自主設(shè)置自動牽引機構(gòu)

合成塔內(nèi)件、 球形封頭等構(gòu)件在安裝過程中需反復(fù)推動移動軌道車。 由于上述構(gòu)件重量較重，人工極難推動小車，中化二建集團有限公司經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)研發(fā)，設(shè)置了自動牽引機構(gòu)，極大地提高了工作效率，縮短了工期。 該裝置采用5t 慢速卷揚機與50t 滑輪組配合形成自動牽引機構(gòu)， 卷揚機前錨點布置于合成塔條式基礎(chǔ)根部，布置時應(yīng)對基礎(chǔ)棱角進行保護；卷揚機布置于移動軌道車軌道的末端，并設(shè)置后錨點，對移動軌道車進行牽引，詳見圖11。

圖11 牽引機構(gòu)

4 效益分析

4.1 社會效益

中化二建集團有限公司運用上述施工方法成功地完成了內(nèi)蒙古博大實地5080 化肥項目合成氨裝置凱洛格臥式氨合成塔內(nèi)件的安裝任務(wù)，工期縮短，質(zhì)量優(yōu)良，無安全事故；一次投料成功，達產(chǎn)達效，運行穩(wěn)定，得到了業(yè)主、監(jiān)理以及KBR 公司售后技術(shù)服務(wù)人員一致好評， 為中化二建集團有限公司承攬后續(xù)工程奠定了良好的基礎(chǔ)，獲得了良好的社會效益。

4.2 經(jīng)濟效益

上述施工方法主要對KBR 公司提供的氨合成塔內(nèi)件施工方法進行了兩項技術(shù)改進，即64 條緊固型連接螺栓的改造和影響催化劑裝填的合成氣管拔出方法的改良，大大縮短施工周期。 實際工期較計劃工期縮減14d， 節(jié)省人工費用5.6 萬元， 節(jié)約機械費用24.6 萬元，經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論

綜上所述， 中化二建集團有限公司結(jié)合工程實踐經(jīng)驗并經(jīng)過技術(shù)人員的科學攻關(guān)，成功地對KBR 公司原有的凱洛格臥式氨合成塔設(shè)備內(nèi)件安裝方法進行了改進。 通過運用合理的施工工藝，在不影響構(gòu)件性能的情況下改造螺栓形狀、自制緊固扳手，解決了重大設(shè)備多條螺栓對準難、緊固難的問題；通過改進催化劑裝填過程中合成氣管的拆裝方案，自主設(shè)置自動牽引機構(gòu)，減少了工裝筒拆裝次數(shù)、 手段用料和大型機械臺班用量；極大地簡化了施工操作程序，加快了施工進度，提高了機械化程度，確保了工程施工質(zhì)量。 上述施工方法已成功申請發(fā)明專利《凱洛格臥式氨合成塔內(nèi)件安裝方法》（專利號：ZL201510360077.4 ）和部級工法《大型臥式凱洛格氨合成塔內(nèi)件安裝施工工法》（HGGF28-2014）。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展、施工經(jīng)驗的不斷總結(jié)積累，將會有更好、更先進的方法出現(xiàn)，從而使工程施工質(zhì)量、工程管理水平不斷提高。