大型圆筒加热炉模块的异地安装技术

陈孙艺

（茂名重力石化机械制造有限公司，广东茂名 525024）

大型圆筒加热炉模块的异地安装技术

陈孙艺

（茂名重力石化机械制造有限公司，广东茂名 525024）

为促进炼油化工大型加热炉整体模块化建造技术发展，针对圆筒炉辐射段结构特点，综述了圆筒加热炉装运方式的准备，模块、盘管及辐射段整体的装运，以及现场吊装。提出了质量管理注意事项，总结大型圆筒炉模块化建造主要步骤是制造厂的选择、模块装运方案和模块分割方案，最后建议编制石油化工圆筒炉行业标准。

圆筒炉； 模块运输； 包装； 安装； 模块化结构； 加热炉

石油化工圆筒加热炉一般是立式结构，从下往上主要包括炉底及燃烧器、圆筒形辐射室、箱式对流室、烟囱等几部分结构组成，由于其占地面积小，结构简单，在炼化企业加热炉总数中占有过半的比例。对于热负荷小于1 MW 时，宜选用纯辐射圆筒炉[1]，纯辐射圆筒炉也可再分为炉膛内是否带反射锥的。有一定热负荷的圆筒炉，其对流段吸收的热量比例越大，全炉的热效率就越高。有较大热负荷的圆筒炉还可判定是否应该在烟囱上通过进出口连接空气预热器，文[2]分析了空气预热对立式圆筒型加热炉热效率的影响，案例结果表明，在某一空气预热温度上限内，炉膛内平均温度随着空气预热温度的增加而升高。

圆筒炉对流段的模块化建造与箱式加热炉的模块化建造是相同的，辐射段的模块化建造则有区别。文[3，4]分别介绍了按传统制造工艺在工地现场组焊圆筒型加热炉的网状骨架覆板法和升降平台法，没涉及模块化建造，约10年后，文[5]按创新的模块化对圆筒型加热炉分模方法及连接节点结构设计进行总结，并指出了包括模块变形的6点问题，文[6，7]综述了大型圆筒型加热炉的模块化建造技术，但是上述报道都没提及模块的包装运输，缺少实物图例。初步分析圆筒炉辐射段结构特点，一是同一个项目中的大型圆筒炉在不同的厂家制造时，由于模块运输条件的区别而使其建造过程有所变化，二是辐射段分割后的模块带有圆弧段结构，不像箱式炉辐射段分割后的模块那样平整。由此可见，圆筒炉模块化建造过程特别是其中的装运和安装具有一定的工程特性，有关的技术实践值得总结。

1 装运方式的准备

1.1 小圆筒炉的准备

1.1.1 技术方案

无论是卧式还是立式圆筒炉，受制于热效率等因素限定了其高度与直径的关系，其直径如果在道路交通许可的4.2 m宽度或高度运输尺寸内时，一般不会超重，因此圆筒炉整体卧式装运是装运的首选，其本体及衬里可以在制造厂进行制造、组装；炉管可以在制造厂进行焊接、探伤及试压；燃烧器、仪表等也可以在制造厂进行安装、校验、调试。供货到现场后，只需要对其进行吊装、固定即可。

1.1.2 关键工艺

圆筒炉炉壳的制造包括柱梁框架的制造和墙壳板的制造及两者的组焊，这与压力容器圆筒体的制造有很大的不同。虽然弧形梁或板都依靠滚压成形，但是型钢梁的滚压成形可在专用机械而不用卷板机，炉壳弧形面板属于薄板，其卷板是在一次成形中尽量达到与柱梁框架的贴合，非贴合间隙通过强制组合完成，而不需要像压力容器圆筒体一样再校圆。因此，炉壳弧形模块带有复杂的组焊残余应力，应力释放引起的变形一般通过局部火焰加热来调整。

带浇注衬里的圆筒炉辐射段整体结构见图1至图3，为预防吊运过程导致炉体变形、衬里开裂，采用如下对策：在图1衬里后将吊挂盘管安装就位并进行加固定位，使其和炉体在刚性上形成一体；分别按图2和图3组装炉顶板和炉底板，以进一步提高炉体端部的刚性。图2炉顶板上还设计顶梁，顶梁两端设置了安装起吊用的吊耳。图4是圆筒炉吊挂盘管的环管型集箱，进行预组装检验。

图1 辐射段炉墙Fig.1 Wall of radiant section

图2 辐射段炉顶Fig.2 Top of radiant section

图3 辐射段炉底Fig.3 Bottom of radiant section

图4 环管集箱预组装Fig.4 Per-assembly of ring-type manifold

1.1.3 专用工装

圆筒炉吊挂盘管预制焊接的工装有多种，文[8]比较了传统的半圆形组对胎模和改进后的整圆形组对胎模，指出改进优点：人工即可转动环形胎具及胎具上的盘管，不需要长时间占用吊车组装；转动环形胎具，可以把仰焊等难度较大的焊接位置转化为方便焊接的位置，人机协调性好，提高焊接质量；整圆形组对胎具预制的盘管形位尺寸误差小；改进后的工装由环形炉管支架、转轴、炉管固定圈等组成，均可拆卸并反复使用。要注意的是，设计胎具中应对其支承盘管重量的防变形强度进行必要的计算。圆筒炉螺旋盘管预制焊接的工装也可参照该工装的原理设计制造。

1.2 大圆筒炉的准备

1.2.1 技术方案

无论圆筒辐射室有多高，一般不从高度中间的水平方向设置分模断面，有时为了达到某种目的，需要在特殊位置进行划分。如四川某大型项目中的一台圆筒炉，在炉管穿出的位置将辐射室分成上、下两个模块，便于炉管在现场的吊装。对于直径超出设备运输极限的，可以将其设计成沿圆周方向等分的模块形式，其分片预制方法是根据辐射室立柱数量和立柱间距，在垂直方向上设置分模断面。

1.2.2 炉底预组装

高耸设备的安装不是传统制造厂擅长的业务，预组装要有相应的安全防护和专业的检测仪表。图5是炉底的预组装，图6是炉底板的预组装。

图6 炉底板预组装Fig.6 Per-assembly of furnace bottom plate

1.2.3 炉墙预组装

图7和图8分别是大圆筒炉模块在制造厂的卧式和立式预组装过程，卧式预组装较立式预组装具有多种优点而得到广泛应用，首先是高空作业少而操作更安全，其次是可在室内生产和检验，便于施工保证质量，还可以利用桥式吊车，免去汽车吊车和高空作业架，节约成本。实践表明，两种方法都能较好地检验模块之间连接尺寸的精度。图9是大圆筒炉炉顶板对半分开的两件模块，底面相向靠在一起。炉顶板的隔热衬里材料既可用陶纤，也可用浇注料或两者的组合，视直径大小及温度等参数而定。

图7 模块卧式预组装Fig.7 Per-assembly of modules in horizontal-type

图8 模块立式预组装Fig.8 Per-assembly of modules in vertical-type

图9 炉顶板对半分模Fig.9 Folio top-plate of furnace

2 圆筒炉的装运

2.1 圆筒炉墙模块的装运

图10中炉墙弧段模块的包装架是通过中间横梁分层的，这种包装的模块都可以在内表面组焊好爪钉，但是每层占用的空间高度较多，且只有弧段模块中间一个部位的外拱承受到支承。图11中炉墙弧段模块的包装架没有中间横梁，其分层通过两边立柱内侧焊接的斜伸短臂实现，这种包装的上层与下层共用了部分空间，从而节省了总的空间高度，且可使弧段模块两边都受到支承，则多了一个受力支撑点，受力点的载荷少了一半，更有效地预防支撑点变形，但是模块内表面可能不宜预先组焊爪钉，以免被上一层模块碰撞。

把两种方案结合起来，当然是更优化的包装。这两种方案都是下凹式包装，模块内表面向上，如果把模块上下倒过来变成上凸式包装，则模块外表面向上的梁柱容易积存灰尘和雨水，因此都应适当遮盖保护。

图10 炉墙模块凹包装1Fig.10 No.1 of concave parking of wall modules

图11 炉墙模块凹包装2Fig.11 No.2 of concave parking of wall modules

图12的圆筒炉墙模块采用了散件混堆装运方式，即便每件上下之件的间隙垫实牢固，也不推荐这样长距离运输。

图12 炉墙模块的混堆装运Fig.12 Bulk parking of wall modules

图13 螺旋盘管包装Fig.13 Parking of coil tube

2.2 圆筒炉盘管的装运

2.2.1 圆筒炉螺旋盘管的包装

图13是圆筒炉辐射段螺旋盘管的一件模块，其定位立柱就被设计成盘管的组成构件，只需要在立柱顶部设置螺栓孔，各立柱之间安装支撑杆，就可以对立柱之间进行定位加固，并通过立柱顶部起吊盘管。

如果盘管的盘旋直径较大，只能在立柱某高度处将盘管上下分段，而无法在盘管的圆周方向上进行弧长分段。

2.2.2 吊挂盘管的包装

吊挂盘管整体由若干个流程的挂片组合而成时，可以把若干件叠装在一起包装，见图14。现场安装时先把盘管垂直吊起，再割除夹持件，即可把盘管挂到炉墙的挂钩上。如果把文[8]改进后的整圆形胎模进一步改进，其结构由传统的两个半圆形胎模或n个（360 / n）°的圆弧段胎模组合而成，则盘管预制完成后可将整圆形胎模拆开成两件或n件带有盘管模块的分胎模，把胎模作为盘管的包装运输架使用。

图14 吊挂盘管分组包装Fig.14 Grouping parking of hang-coil tube

图15 吊挂盘管整体包装Fig.15 Integer parking of hang-coil tube

如果盘管的围闭直径较小，也可以在包装架上把盘管组装成图15的整圆，并在端部设置防窜动及防碰撞的环形挡板。当然，辐射段吊挂盘管最佳的装运是与圆筒炉墙壳一体化组装后一起运输，

吊挂盘管组焊中要注意对管口的保护，防止异物遗留在盘管内，因为欲把异物从盘管内取出来是十分困难的事。

2.3 圆筒炉辐射段整体装运

小圆筒炉辐射段整体公路装运见图16，水运装运见图17，大圆筒炉整体装运不受水路限制，但是应尽量装载在船舱内，避免装载在甲板上。如果高度允许都应设置运输鞍座，保持炉体稳定，分散炉体的受力；在炉体表面做出设备重心和缆索挂靠位置标记。

图16 辐射段装车Fig.16 Transportation of radiant section

图17 辐射段装船Fig.17 Shipping of radiant section

3 圆筒炉安装

3.1 准备工作

基础方面包括对图18安装基础的检测，在基础上设置调整高度的垫铁，图19所示。圆筒炉方面包括加热炉模块在现场的二次模块化组装，安装的方位标志、就位后的对中线及模块部件的重心，等等。

3.2 现场吊装

按图20整体吊装小圆筒炉，或逐一吊装大圆筒炉的每一片模块，经过结构形位尺寸调整，检测合格后上紧模块分模面之间的连接螺栓和炉底立柱的地脚螺栓。然后组焊图21的下部平台、图22的上部平台或图23的环管集箱以及扶梯等。

图18 安装基础检测Fig.18 Check the basic plane for setting

图19 安装基础调整Fig.19 Adjust the groundwork of setting

图20 辐射段整体吊装Fig.20 Integral lifting of radiant section

图21 下部平台组装Fig.21 Installion of platform at bottom

图22 上部平台组装Fig.22 Installation of top platform

图23 环管集箱Fig.23 Ring type manifold

3.3 衬里及内件安装

如果现场吊装的只是墙壳，还没有衬里及盘管，则小圆筒炉可按图24在中间搭建内部脚手架及施工平台，大圆筒炉可按图25贴近内壁搭建脚手架及施工平台，在此基础上焊接分模面的对接缝使炉壳达到密封。

图24 小炉内部施工台架Fig.24 Construction frame inside small furnace

图25 大炉内部施工台架Fig.25 Construction frame inside large furnace

有了内外平台，可以彻砖衬里、浇注衬里或铺设陶纤衬里并对其表面进行防护喷涂，或者对分模面的对接缝处进行二次浇注。在辐射段盘管安装过程中应对衬里表面进行遮盖保护，避免雨水或焊接飞溅损伤衬里，见图26。盘管和炉顶盖等安装后，再次检测主要尺寸，完成辐射段安装。

3.4 二次灌浆及附件吊装

在辐射段的基础上安装过渡段和对流段模块，经检测合格后才对图27的立柱脚安装螺栓进行图28的二次灌浆。最后吊装烟囱、转油线等附件，见图29。

图26 衬里保护Fig.26 Protection of lining

图27 基础二次灌浆前Fig.27 Before secondary grouting of base

图28 基础二次灌浆后Fig.28 After secondary grouting of base

图29 烟囱吊装Fig.29 Lifting of stack

3.5 现场质量管理

为了充分发挥圆筒炉结构简单和节省投资等优点，克服装置大型化后中间闲置空间过大的缺点而产生了双室圆筒炉，即由两个圆筒形辐射室共用一个对流室构成的炉型[1]。该炉型的过渡段结构也横跨两个圆筒形辐射室，相对较长而容易在装运中产生变形，但是过渡段又是对流段的安装基础，因此应注意加强保护。文[7]的经验表明，如果弧形构件的弧度偏差较大，现场调整难度大。需根据SH 3086《石油化工管式炉钢结构工程及部件安装技术条件》和表1对弧形模块及其预制效果进行检测。

表1 模块钢构的关键尺寸Tab.1 Key size of steel structure module

其他一些注意事项，如：

（1）辐射段盘管与圆筒炉墙壳组装运输时，应对盘管等内件加固，运输到工地后，应检查并在必要时拆卸加固件。

（2）分模面的对接焊缝在现场焊接后应经煤油渗透检验其密封性。

（3）准备好遮盖物，防止模块安装后的隔热衬里被雨雪淋湿。

（4）检测辐射段吊挂盘管的支承端和自由端。盘管上部的支承端应与各挂钩充分接触，避免各挂钩负载不均衡，以免出现文[9]的辐射室炉管超温脱挂和倒塌，其原因一是停电同时停蒸汽，炉管不能注汽超温线膨胀量超过预留允许膨胀量，二是设计缺陷。

下部的自由端距离加热炉底部距离如果较小，炉管受热应力影响伸长量比较大，则自由端可能与炉底接触，从而产生一个反向约束力，也会引起炉管弯曲[10]。

（5）炉体分模块建造时，油漆面漆尽量在安装现场吊装前涂刷，安装后期再对个别部位补漆。在制造厂，只对模块构件刷好底漆及中间漆，在涂漆前，应在室内对钢构表面喷砂除锈，见图30和图31。

4 结束语

圆筒加热炉不属于压力容器，也由于其热负荷相对小，一般不包含属于锅炉管理范畴的蒸汽盘管，因此其设备专业的设计制造主要以钢结构为主，没有绝对统一或相对固定的技术路线，没有相关标准，只有SH 3086标准中的一节提及圆筒炉底和圆筒的预制造结构偏差控制要求，容易被业内轻视。根据目前的工程实践，作者认为有必要综合制造厂经过应用检验的有关企业标准补充到工程公司的技术规程中，编制成为《石油化工圆筒炉》行业标准。总结大型圆筒炉模块化建造的三个主要的基本步骤：

制造厂的选择。不同的制造厂对同一圆筒炉的模块化建造的潜在能力可以有明显的差异，反映在可支配资源、实施手段、设备质量、项目周期和工程成本等方面，业主可据以选择其中综合能力最佳的制造厂。

图30 室内弧墙板喷砂除锈Fig.30 Sand blast for descaling of arc-wall plate inside door

图31 室外弧墙板喷砂除锈Fig.31 Sand blast for descaling of arc-wall plate outside door

模块装运方案。制造厂以工序流程中间的装运条件作为工程指引制定各专业技术方案，首先决定其结构设计中的模块分割，再决定其结构制造、预组装及运输的包装方式，最后也决定其结构安装，业主可结合工地条件审查各方案的合理性。

模块分割方案。模块分割还进一步决定预制深度及制造厂和装置现场两大施工场所的作业内容，反之，制造厂及其预制能力对模块分割方案也有影响，专业化生产有利于提高工程质量。

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Techniques Used in Installation of Large Cylindrical Heating Furnace

Chen Sunyi
（The Challenge Petrochemical Machinery Corporation of Maoming Maoming 525024）

In this article, with respect to the features in the structure of cylindrical radiant segment in cylindrical furnace, the shipping preparation, integral loading and shipping of modules, convection coils and radiant section and field erection were summed up. Some attention items relevant to the quality management were provided. The key steps for modules construction of large-scale cylindrical furnace, including the selection of furnace manufacture, module transportation plan and module splitting plan, were summarized. Finally, it was to propose to establish industrial standard for the cylindrical furnace used in petrochemical industry.

cylindrical furnace; shipping of modules; packaging; erection; modularized structure; furnace

TQ 052.6

A

2095-817X（2016）06-0043-007

2016-01-08

陈孙艺（1965—），男，教授级高级工程师，工学博士，从事承压设备及管件的设计开发、制造工艺、失效分析及技术管理。