浅谈一段转化炉施工安装技术.docx
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浅谈一段转化炉施工安装技术
浅谈一段转化炉施工安装技术
摘要：
本文介绍一段转化炉整体安装施工技术，以我公司承建的孟加拉沙迦拉化肥厂项目合成氨装置一段转化炉整体施工为例，重点介绍一段转化炉模块化施工安装技术。
关键词：
一段转化炉钢结构拼装焊接模块吊装
1工程概况
一段转化炉是合成氨装置核心设备之一，从原料气压缩机来的天然气与水蒸汽在镍触媒、高温高压的条件下，进行转化反应生成氢气、一氧化碳和二氧化碳，从一段转化炉出口的转化气进入二段转化炉进行更深一步的转化。
其中辐射段钢结构、烟囱和事故烟囱是由中国成达工程有限公司设计，辐射段炉管是由KBR公司设计，对流段模块和引风机是由意大利ITT公司设计。
2施工流程
3施工方法和施工措施
3.1基础处理
根据一段转化炉整体图纸分析，一段转化炉辐射段结构基础、对流段基础、事故烟囱结构基础、引风机基础、烟囱基础东西方向是同中心线的，辐射段结构基础与二段转化炉基础南北方向是同中心线的。
钢结构安装首先是从一段转化炉辐射段墙板结构开始，因此一段转化炉辐射段墙板结构基础中心线应明确标记出（下图已标记出），安装应以东西方向和南北方向中心线来控制辐射段墙板结构的整体尺寸。
东西方向中心线
南北方向中心线
3.2辐射段安装
3.2.1辐射段墙板结构安装
辐射段钢结构是由厂家预制成半成品现场进行拼装施工，高空作业量较大。
为了减少高空作业、提高工作效率、减少脚手架的使用，辐射段墙板结构与外围平台结构进行拼装成稳定结构后进行安装。
一段炉辐射段墙板结构及外侧平台结构轴线图如下图所示：
1#墙板、3#墙板是由4片结构组装成型，2#墙板是由3片结构组装成型，片与片之间用高强螺栓连接，每一片安装标高为EL114.509；4#墙板是分层组装的，共计5层结构，层与层之间用高强螺栓连接。
其中3#墙板中轴线（5-6）片墙板和对应的Ha平台结构应先在施工平台上进行拼装，组对成框式结构后进行安装，安装完成后依次按照轴线（3-4、4-5、2-3）分片安装并同时安装各片墙板所对应的平台结构和连系梁；1#墙板安装方法和安装顺序和3#墙板相同；安装时需注意柱脚板与墙板柱焊接前应先完成螺栓紧固和结构找正工作；4#墙板安装前应确认炉底板已安装完成1#墙板和3#墙板安装完成，螺栓未完全紧固，并留有部分间隙，以方便安装4#墙板，安装顺序是从下到上分层安装。
地面组装墙板结构与外围平台结构组装后墙板结构与外围平台结构吊装
其中，炉底板安装应在1#、2#、3#墙板安装完成后进行，炉底板安装时，应注意图纸要求，与侧墙版有20mm的间隙，并注意滑动端位置与承重框架梁不能用螺栓连接或焊接。
安装时，应随时测量墙板之间的间距、对角线、高度以控制整个墙板的尺寸偏差在允许偏差范围内。
炉底板安装和墙板安装成型如下图所示
3.2.2炉顶结构、雨棚结构、炉管、风道安装
炉顶结构及雨棚结构的安装属于高空作业，施工困难，投入较大，为了将高空作业降到最低，并减少投入成本，提高工作效率，炉顶结构和雨棚结构在地面进行拼装（见下图），然后进行吊装。
雨棚结构共8片，安装在标高为19.8米墙板支撑立柱上，吊装前应在地面进行拼装成4榀，雨棚结构顶部的彩钢瓦、天窗结构以及百叶窗在地面安装到已组装好的雨棚结构上，焊接部分、螺栓紧固应全部在地面完成；环形风道是分段到货，现场进行组装和焊接；炉顶风道与炉顶风道下的炉顶板分开到货，地面进行组装并焊接。
地面组装完成后的雨棚结构环形风道地面组对
其中，炉顶风道、炉管系、输气总管是吊在雨棚结构上的，所以在吊装时，应考虑各部分的安装顺序，在该项目的安装顺序如下：
Ha/G轴环形风道——风道5/风道6安装——G轴雨棚结构安装——风道5/风道6吊架安装——G/E轴竖琴排管吊装并临时固定——G轴炉顶板安装——E轴风道3/风道4安装——E轴雨棚结构安装——E轴风道3/风道4吊架安装——E/D竖琴排管吊装并临时固定——G/E轴竖琴排管弹簧吊架安装——D轴风道3/风道4安装——D轴雨棚结构安装——D轴风道3/风道4吊架安装——D/B轴炉管吊装
环形风道吊装雨棚结构吊装
吊装组对完成的雨棚结构时，采用现场制作的方形平衡梁吊装，结构简单实用，安全可靠。
炉管系共3排，每排3片，分布在炉顶风道与炉顶风道之间，所以炉顶风道之间的炉顶板需要在炉管系安装完成并调整、调平后才能安装。
炉管系吊装炉管弹簧吊架及吊梁组装后安装
输气总管是南北方向横穿雨棚结构，并固定在雨棚结构上，雨棚结构及炉顶结构安装完成3/4时吊装输气总管，这样输气总管既有支撑结构支撑，又减少倒链往里移动的距离。
输气总管吊装输气总管安装基本就位
主风道是支撑在事故烟囱结构支撑上，所以在安装主风道时应先安装事故烟囱结构。
事故烟囱结构先进行地面组装，螺栓紧固、焊接完成后吊装。
主风道地面组对主风道安装并与环形风道连接
3.2.3炉管安装
炉管使用德国S+C公司专利产品，共计132根，与入口分配管和猪尾管连接；上升管3根，与下集气管管和输气总管连接；下集气管共计3根，与催化管和上升管连接；猪尾管共132根，与入口分配管和转化管连接；上集合管共3根，与Crossover和猪尾管连接。
催化管、上升管和出口分配管焊在工厂焊接完成，组成竖琴排管，竖琴排管共9片。
炉管分布图如下图所示：
上升管过渡段
上升管
出口分配管
催化管
入口分配管
猪尾管
竖琴管排安装时应与炉顶风道和雨棚结构相互协调交叉工作;安装顺序为炉顶风道安装→雨棚结构安装→炉顶风道安装→安装一排炉管系→正式弹簧吊架安装。
炉管系分布在炉顶风道与炉顶风道之间，所以炉顶风道之间的炉顶板需要在炉管系安装完成并调整、调平后才能安装。
在炉管系吊装以及临时固定时应注意防止炉管系与碳钢结构，炉管系属于高镍合金不锈钢，若发生渗碳将对炉管系的使用造成很大的影响。
3.2.4炉管系焊接
炉管系之间的焊接是在竖琴管排调整完成后进行的。
炉管系是由德国Schmidt+Clemens公司（简称S+C公司）预制并供货，现场焊接依据厂家提供的WPS,我公司进行焊工的焊接培训,焊接培训合格后进行现场焊接,使用的焊材主要有ERNiCrCoMo-1，ENiCrCoMo-1，ERNiCr-3，ER308H,现场焊接的焊口介绍如下:
序号
名称
材质
规格
焊接形式
焊口数
1
下集气管
S+CG4859
Φ203*18
BW
6
2
上升管过渡段与上升管
UNSNO8811
Φ190*17
BW
3
3
上升管变径椎体与输气总管
UNSNO8811+
SA106Gr.B
Φ407*12.7
BW
3
4
上集气管
304H
Φ219.1*12.7
BW
6
5
热电偶套管
UNSNO8811
Φ114.3*17.1
BW
9
6
跨接管
304H
Φ323.9*12.7
BW
12
7
猪尾管
304H
Φ33.4*3.38
SW
264
焊接性能
1）S+CG4859、UNSNO8811（Incoloy800HT）均属奥氏体高合金耐热钢，导热系数小、线膨胀系数大，焊接过程中局部加热和冷却的条件下，焊接接头可形成较大的拉应力，另外Si在Ni含量较高的钢中易偏析，形成低熔点共晶物分布在晶界上，因此具有较高的热裂纹敏感性。
G4859是离心铸造管，与锻造合金相比，铸造合金有更大的焊接难度，更容易产生焊接热裂纹。
2）镍-铬高合金焊缝金属熔深浅，流动性差，焊后易产生未熔合、未焊透、气孔等缺陷。
3）焊件表面的清洁度是焊接镍-铬合金的一个重要要求。
首先是焊件表面的氧化皮，镍-铬合金的氧化皮的熔点远高于母材本身，如果清理不干净，很容易使熔池内夹杂难熔的氧化物，形成夹渣缺陷。
另外油脂、漆等污物中存在有害元素，容易造成焊接热裂纹。
因此必须保证焊件表面的清洁。
4）Incoloy800HT与SA106Gr.B异种钢的焊接也存在一定的焊接难度，Incoloy800HT的导热系数仅为碳钢SA106Gr.B的一半，高温下的线胀系数是碳钢的1.5倍，材料热物性的差异使得两种材料在焊接过程中会产生较大的温度应力，如果焊缝中存在几何不连续的应力集中，就容易导致生产过程中出现应力裂纹。
为避免焊接裂纹，从以下几方面入手：
a.选择好焊接材料：
通过炉管制造商提供合格的焊接工艺评定，采用镍基焊材ERNiCrCoMo-1焊丝和ENiCrCoMo-1焊条焊接G4859、Incoloy800HT，采用镍基焊材而不是与母材成分相对应的焊材焊接，不仅可以获得最大的力学性能，并且具有很好的塑性和抗裂性。
猪尾管母材为304H，焊材选用ERNiCr-3，能获得高的高温强度的焊缝。
异种钢Incoloy800HT与SA106Gr.B的焊接采用ERNiCr-3，以获得高镍含量的以奥氏体组织为主的焊缝。
b.控制焊接过程中的焊接工艺参数，提高焊缝成型系数，采用多层多道的焊法，减少热量的输入，尽量采用小的线能量，加快焊后冷却速度，避免中心线偏析，防止中心线裂纹。
c.采取降低焊接应力的措施。
不强力组对焊缝。
1）镍基合金材料的焊缝金属不像碳钢那样容易湿润展开、其流动性差，不易流到焊缝两边，也不易向根部背面渗透，即使增大电流也不能改进焊缝金属的流动性，同时如果焊接电流任意增大不仅使熔池过热，增大热裂纹敏感性，而且使焊缝金属中的脱氧剂蒸发，易出现气孔。
因此，针对焊缝金属流动性差的特点，为了获得良好的焊缝成形，应采用小幅摆动措施，使焊缝两侧母材完全熔合。
在坡口的制备上，采用“两大一小”即大坡口角度、大组对间隙和小钝边。
2）焊件表面的清理及层间清理
为防止氧化物夹渣和由有害元素引起的热裂纹，焊接前，要对坡口内外两侧50mm范围内的油、漆、洉等清除干净，打磨时要平缓，坡口及坡口附近的机加工表面按JB/T4730-2005进行PT检测，Ⅰ级合格，并用丙酮清洗，焊接所用的焊丝亦应该用丙酮清洗，保持焊丝的清洁。
每焊完一道焊缝，用砂轮机清理氧化物和夹渣。
3）由于镍基合金焊材合金元素含量多，焊接过程中氩气保护不好，会造成合金元素的氧化，要求氩气纯度至少为99.99%，打底焊和第一层填充焊时，管道内部要充氩保护。
4）焊接过程中要控制层间温度不得超过150℃，采用测温枪监测层间温度。
5）异种钢Incoloy800HT与SA106Gr.B的焊接过程中要保证两种母材与填充金属的完好熔合，要避免焊缝中出现碳钢的夹杂，这样会降低焊缝的高温强度，容易在运行过程中出现裂纹。
3.3对流段模块吊装
对流段模块是由意大利ITT公司设计并供货,我公司负责现场吊装安装。
对流段模块分布图如下:
序号
设备位号
设备名称
外形尺寸（M）
安装标高（M）
重量（T）
1
SFM-2
对流段模块
14.038*3.658*2.79
7.344
73
2
SFM-3/1
对流段模块
根据现场到货确定
10.134
83
3
SFM-3/2
对流段模块
根据现场到货确定
12.416
110
4
SFM-4
对流段模块
14.213*3.658*2.632
14.698
112
5
SFM-6
对流段模块
13.488*3.715*3.408
3.550
102
6
SFM-7
对流段模块
13.488*3.685*3.86
7.058
128
7
SFM-8
对流段模块
13.888*3.685*3.508
10.918
106
8
SFM-9
对流段模块
13.888*3.685*2.904
14.426
76
吊装时应考虑大型吊车的站位以及吊装顺序,保证大型吊车一次站位,所有模块全部就位,对流段模块首先吊装东侧第一块模块，其次吊装西侧第一块模，具体块顺序如下:
7/8轴底部结构安装——9/10轴底部结构安装——模块SFM-6安装——模块SFM-7安装——模块SFM-2安装——模块SFM-3/1安装——模块SFM-3/2安装——模块SFM8安装——模块SFM4安装——炉顶结构安装——附属梯子平台安装完善。
模块吊装前应先将上下封板打开，检查模块内部炉管、炉管支撑、衬里是否有损坏，若有损坏，则有总承包协商厂家进行修复。
支撑上下端部是否有变形和满足图纸要求，变形部分需要在地面修复。
吊装时应根据模块的特点，合理选用平衡梁、钢丝绳及索具。
模块吊装完成后，进行找平找正并紧固螺栓，模块上口需封闭，防止雨水和杂物进入模块内部。
模块与模块之间连接时，应先打开已安装模块上口并按照设计要求在已安装模块上口铺设密封耐火纤维毯，检查合格后，方可吊装。
为保证耐火纤维毯受压后能紧密接触，耐火纤维毯接头处应采取如下图所示的接头
形式：
在吊装过程中，保证模块下口水平，缓慢下降，在下口靠近密封耐火纤维毯时，将螺栓全部带上，对称紧固螺栓，确保密封耐火材料均匀压实。
若未能一次完成吊装就位，需重新起吊，检查密封耐火纤维毯是否有损坏，处理后再吊装就位。
模块吊装时选用单根H型钢制作平衡梁，上下各2个吊耳；平衡梁上部选用一对Φ70mm*20m的钢丝绳，下部选用8根Φ50mm*20m的钢丝绳与模块的8个吊点相连。
模块吊装时的平衡梁、索具准备及吊装见附图：
平衡梁和索具模块吊装
3.4烧嘴安装
烧嘴安装在炉顶风道上，共四排，每排烧嘴数量为14套，共计56套烧嘴。
烧嘴安装前应对炉顶风道内部进行检查验收，合格后方能安装烧嘴。
炉顶风道主要对以下几方面进行验收：
1）炉顶风道内部密封焊接完成；
2）烧嘴砖施工已完成，所有几何尺寸应在允许范围内；
3）炉顶风道内部衬里已完成，并内部清理完成。
安装烧嘴时，在东西方向和南北方向各拉设一条钢丝绳作为滑道，采用2个滑轮进行移动和安装，大大提高了烧嘴的安装效率和安全系数。
烧嘴移动过程烧嘴安装完成后
烧嘴安装完成后，应对烧嘴的安装尺寸进行检查验收，保证烧嘴的中心喷枪和侧喷枪尺寸在厂家要求的范围内。
3.5引风机安装
引风机安装应按照动设备要求进行安装。
4安装中应注意的事项
通过这次一段转化炉的施工，在以后的一段转化炉整体施工过程中应注意以下几点：
1）对一段转化炉整体的施工图纸以及各个部分的详图要相当的熟悉，特别是辐射段结构与炉管之间的相关联的部分，以防止安装过程中出现返工的现象；
2）各专业之间的相互协调和配合，特别是安装与筑炉、电议等专业，要注意各专业之间施工的先后顺序，以防止拖延施工周期，避免不必要的施工浪费；
3）安装过程中应注意膨胀节等到后期施工，以消除刚性之间连接的误差，保证后期施工质量。
5小结
天然气制合成氨已成为现代化工化肥行业的发展趋势，一段转化炉是天然气制合成氨装置的核心设备之一，整体施工周期长，牵连专业多，质量要求高。
在该项目采用结构地面拼装，结构模块化安装，合理安排并优化施工方法和施工措施，各个专业相互协调和配合，使一段转化炉整体安装能够保质保量的按时完成，并得到了专利商KBR公司代表和总包商的高度认可，对于本项目也达到了节约劳动力和施工周期以及节约了工机具的施工从而达到了降本增效的效果。
参考文献：
中国成达有限公司设计图纸和钢结构设计说明
厦门新长诚钢构工程有限公司提供的布置图和构件图
KBR设计资料和图纸
ITT设计资料和图纸
石油化工乙烯裂解炉和制氢和制氢转化炉施工技术规程（SH3511-2007）
风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范（GB50275-2010）
钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）
转化炉炉管焊接手册576887_WELDBOOK_Rev2
ASMESectionVIII,Division1,ParagraphUW-51
ASMESectionV
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