大型可拆卸式分段火炬吊装方案设计

张 妍

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

随着中国经济建设的高速发展和我国对能源需求的不断增加，国内新上了许多大型炼油装置和与之配套的储运设施。火炬放空系统是石油化工装置中废弃可燃气体泄压燃烧排放必不可少的设施,国内大型火炬燃烧排放系统的火炬筒体和塔架组合结构,固定式捆绑式火炬多布置成三棱体或四棱体，塔架中心固定火炬筒体的结构,附塔管线、航空警示灯、梯子等附属设施均固定于塔架。鉴于GB 50160-2008 《石油化工企业设计防火规范》,对大型火炬燃烧放空系统的安全防火距离有明确要求: 以火炬筒中心为圆心,80 ～100 m 半径范围内不得布置除与火炬放空系统相关的其他石油化工设施。但随着新时代石油化工装置规模大型化,全厂火炬排放系统多为两个或更多个火炬塔架,同时由于国家环保质量要求日渐提高,传统的单一筒体捆绑式火炬塔架结构由于其占地面积大、投资多、航灯警示灯检修困难等弊端也日渐显现。因此多筒体可拆卸式火炬结构替代单一筒体结构的火炬布置方式优势明显。本文以某炼油项目全厂火炬设施为例，详细阐述大型可拆卸式火炬吊装方案的设计。该项目按照业主招标文件要求,全厂唯一的一套废气燃烧处理排放系统,要求以一个公用火炬塔架为支承,附带四套可拆卸火炬筒体(其中一套预留安装位置),在该项目中火炬结构采用通过设在火炬塔架外侧的垂直导轨和自设的翻转、提升系统实现水平放置的分段火炬筒体的翻转和提升功能,附属航空警示灯也能在地面操作实现升降安装,航空警示灯故障时也可在地面完成航空警示灯的检修更换和复位工作。

1 结构特征

该全厂火炬设施共设计有三套可拆卸火炬，其中2套火炬筒为DN1200mm，一套火炬筒为DN450mm，分别各6节，总高150m。预留一套DN1200mm火炬，火炬设计参数详见表1。

表1 火炬设计参数

该火炬设施采用分段火炬筒安装方案，分段火炬筒是当火炬头出现故障时可将其拆卸下来进行检修，四套火炬筒(其中一套为预留)共用一座由四根圆柱形立柱组成四棱形变截面高耸结构塔架，节省占地面积，整个装卸过程仅使用卷扬机及滑轮，设备简单，操作方便。

2 载荷计算

2.1 提升载荷计算

最大提升载荷计算是以提升DN1200mm火炬为计算：

Qmax=Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q火炬头

式中：Qmax——最大提升载荷，kg；

Q2～6——第2～6节火炬筒的质量，kg；

Q火炬头——火炬头的质量，kg。

代数计算结果：

Qmax=69.23t

2.2 翻转载荷计算

最大翻转载荷计算是以翻转DN1200mm火炬的第6节火炬筒附加火炬头为计算：

按照现场实际情况，翻转载荷可作简图辅助计算，见图1。

图1 翻转载荷简图

图1中：ab段-火炬头，长度Lab=5m，重量Q火炬头=5000kg；bc段-第6节火炬筒，长度Lbc=24.1m，重量Q6 =13286kg；P-翻转所需拉力；α-为按现场布置，第6节火炬筒连同火炬头水平放置时翻转拉力角。

根据力学公式

代数计算结果：

拉力P=156.68kN

3 设备选型

3.1 提升系统选型

根据上述最大提升载荷计算结果，提升总重量：69.23吨

火炬筒提升高度：40m

按照经验，尝试选择拉力为12t的慢速电动卷扬机，5轮动静滑轮组，进行反推算：

根据相关资料，5轮十绳动静滑轮组效率为80%，提升时需要的拉力S=0.12Q,代数计算如下：

根据计算结果，上述选型满足要求。

提升卷扬机详细设计参数

设备型号：JM12F

额定拉力：120kN

容 绳 量：500m

电机功率：30kW

数量：1台

由于塔架空间有限，在吊装DN450mm的火炬筒时，可换用一组3轮动静滑轮组。

3.2 翻转系统选型

根据上述最大翻转载荷计算结果，所需最大翻转拉力：156.68kN

按照经验，尝试选择拉力为5t的慢速电动卷扬机，3轮动静滑轮组，进行反推算：

根据相关资料，3轮六绳动静滑轮组效率为87%，提升时需要的拉力S=0.19Q,代数计算如下：

根据计算结果，上述选型满足要求。

翻转卷扬机详细设计参数

设备型号：JM5

额定拉力：50kN

容 绳 量：300m

电机功率：11kW

数 量：1台

3.3 平衡卷扬机选型

该项目火炬及塔架较高，在火炬筒提升过程中，摆动较大，所以在地面设置两台3t平衡卷扬机以利于火炬筒体吊装过程中火炬筒的扶正。

平衡卷扬机详细设计参数

设备型号：JM3

额定拉力：30kN

容 绳 量：280m

电机功率：11kW

数 量：2台

3.4 航空警示灯提升系统选型

根据航空灯提升系统的设计，单套提升系统载荷700kg，所以可选择拉力为1.5t的带锁死功能的手动卷扬机。

航空灯提升卷扬机详细设计参数

设备型号：JS1.5

额定拉力：15kN

容 绳 量：320m

数 量：4台

4 系统布置

4.1 火炬筒装卸系统卷扬机平面布置

图2 火炬筒装卸系统卷扬机平面布置图

图3 火炬筒装卸系统滑轮组及钢丝绳走向布置

项目设计中，因塔架地面设备较多，而各卷扬机钢丝绳既不能与其他设备及基础相碰，又要保证钢丝绳绕到卷筒中间时，钢丝绳和卷筒轴线成直角，同时卷筒轴线和导向滑轮中间还应该保持一定的距离L，使钢丝绳的偏斜角不大于1.5°(对于无槽卷筒)到2°(对于有槽卷筒)，所以各卷扬机及其地面导向滑轮布置较为困难，经过多次与其他相关专业协调，火炬筒装卸系统卷扬机平面布置图详见图2。

4.2 火炬筒装卸系统滑轮组及钢丝绳走向布置

为配合卷扬机使用，在地面上设置了一套提升系统的地面导向滑轮和一套翻转系统的地面导向滑轮。在塔架上为避免钢丝绳与塔架摩擦与摆动，在塔架立柱和吊装梁上设置了七个导向滑轮。走向布置详见图3。

4.3 平衡卷扬机布置

两台平衡卷扬机布置在地面导轨的外侧，布置图如图4。

图4 两台平衡卷扬机布置图

4.4 航空警示灯提升系统的布置

根据相关标准，四组可拆卸式航空警示灯悬挂于塔顶四周，每组导缆上悬挂有三盏警示灯，标高分别为145m、90m、45m。当某一警示灯出现故障的时候，不用人工上塔更换，只需利用位于塔架地面相应的1.5t手动卷扬机将其拆卸下来，更换新的航空灯后，再将其吊装上去。

5 滑轮和钢丝绳系统的安装

5.1 穿卷扬机绳索

5.1.1 穿翻转绳索系统

在固定了地面上的滑轮之后，利用平衡卷扬机绳索将滑轮吊起并固定。

三轮静滑轮组由翻转卷扬机吊起并固定。

滑轮安装完毕后，将翻转卷扬机的钢丝绳通过单滑轮拉出，穿过静、动三滑轮组，使静、动滑轮组平行排列，钢丝绳的终端附在静三滑轮组上。

5.1.2 穿提升绳索系统

在固定了地面上的滑轮之后，利用平衡卷扬机绳索将导向滑轮吊起并固定。

五轮静滑轮组由翻转卷扬机吊起并固定。滑轮安装完毕后，将提升卷扬机的钢丝绳通过单滑轮拉出，穿过静、动五滑轮组，使静动滑轮组之间垂直排列，钢丝绳的终端附在静五滑轮组上。

5.2 钢丝绳系统试验

塔架安装完后，起吊火炬筒之前，作第一次钢丝绳系统载荷试验。

6 翻转和起吊程序

6.1 准备工作

安装前先将火炬筒按安装顺序放置在轨道小车上，并用螺栓将小车与火炬筒上的鞍座相联接，轨道小车车轮可以在两条轨道上滚动，在安装或拆卸过程中，将火炬筒水平移动。放在小车上的火炬筒必须完成所有配管、导管、接线盒和绝缘等以后才能进行安装。

6.2 火炬筒翻转程序

火炬筒与翻转台联接之后，将动三滑轮组与火炬筒相连，平衡绳索连在位于火炬筒顶部的吊耳上，平衡绳索始终保持松弛状态直至火炬筒接近垂直位置。

使用翻转卷扬机缓缓提升火炬筒，拆除小车脚轮与火炬筒支撑鞍座之间的螺栓，在火炬筒翻转前，平台必须作好准备，利用位于该层标高的手动卷扬机，将相碰的平台吊起。使用翻转卷扬机小心的缓缓提升火炬筒，在火炬筒就要达到垂直位置时，平衡绳索要张紧。

在翻转过程中，翻转卷扬机操作者与平衡卷扬机操作者之间要密切配合，以避免火炬筒失控转动，火炬筒处垂直位置后，将翻转检修平台放到水平位置，放好平台后，平衡绳索可以放松，翻转绳索保持张紧。

6.3 起吊程序

将动五滑轮组与火炬筒底部吊耳相连，拆卸火炬筒法兰与翻转台之间的螺栓。

保持翻转绳索的张紧状态，起吊火炬筒，起升约500mm后，翻转索具可以从火炬筒上卸下。

小心的缓缓起吊火炬筒直到底部法兰到达预定位置时停止，在这一位置，起吊卷扬机必须“锁住”以防火炬筒下落。

6.4 翻转和起吊节2至节6

当第一节火炬筒悬挂在塔架上之后，第二节火炬筒就可以移动，移动到位后与翻转台用螺栓连接。

重复6.2所述的翻转过程。

图5 翻转和起吊节2至节6

火炬筒翻转到垂直位置后，上一节的底部法兰与下一节的顶部法兰之间留500mm间隙，吹扫点火器和燃气管线，清洁所有法兰面，安装新垫片，放下悬挂一节到法兰上，用螺栓联接法兰。

从第一节火炬筒拆下动五滑轮组，联接到第二节火炬筒上，吊起第二节火炬筒，重复翻转和起吊程序，直到吊装完全部的各节火炬筒，见图5。

7 火炬的拆卸

当火炬头出现故障需要检修或其他原因需要拆卸火炬筒时，联接动五滑轮组的索具到第六节火炬筒的底部吊耳上。

除去蒸汽管、燃气管和点火管法兰上的保温层和螺栓，主火炬筒的法兰螺栓最后拆卸。联接部位的螺栓都拆卸后，将上部火炬筒提升约500mm,以便最下面这节翻转。当火炬筒悬挂的时候，起吊卷扬机应“锁住”。

7.1 起吊和翻转

将动三滑轮组的索具联接到火炬筒顶部吊耳上，并张紧绳索。

将平衡绳索联接到火炬筒顶部吊耳上，缓缓的拉紧绳索，并放松翻转绳索，将火炬筒的重心拉到翻转位置，火炬筒的重量完全由翻转卷扬机的缆绳承担，在这期间，需要翻转卷扬机操作者与平衡卷扬机操作者之间密切配合。

火炬筒翻转到达水平位置之前，将小车脚轮与火炬筒支撑鞍座用螺栓联接，从火炬筒上拆卸平衡绳索，放下火炬筒直到安全落在转运轨道上。

放松翻转绳索，将动三滑轮组索具从水平火炬筒上卸下。

将千斤顶放在火炬筒法兰下面，并将其顶起，以便减少火炬筒与翻转台联接螺栓上的拉力，然后拆下翻转台处的法兰螺栓，并将火炬筒放到小车上。

为给后面的火炬筒提供空间，应将水平放置在小车轨道的火炬筒移走。

7.2 放下火炬筒2到节5

翻转台返回到水平位置后，放下其余火炬筒，将火炬筒与翻转台用螺栓固定。

将动五滑轮组的索具松开，然后与下一节火炬筒吊耳联接，翻转绳索联到最下面一节垂直火炬筒的上部吊耳。

重复翻转和放下过程，拆卸火炬筒2到5节。

7.3 放下带有火炬头的顶部火炬筒(第6节)

第6节火炬筒与火炬头一起放下，顶部火炬筒放到翻转台后，用螺栓固定它，将动三滑轮组索具联到火炬筒的上部吊耳，缓缓张紧绳索，将动五滑轮组的起吊绳索从火炬筒上拆下，拉紧绳索联接到火炬筒顶部附近的吊耳上。

同上述方法，将火炬筒与火炬头翻转到水平位置。

8 安装设备的储存

安装工作完成后，清洁钢丝绳并卷到相应的卷扬机上。

钢丝绳滑轮、卸扣、螺栓、螺母、垫片等必须涂润滑脂后储存。

因为装置现场环境气候较差，存在较为严重的盐雾气候，各卷扬机在火炬提升成功后会长时间放置不用，各电动卷扬机可拆卸下来，仓库保存，其埋地的地脚螺栓应涂脂加以保护。

9 结束语

大型可拆卸式分段火炬作为新技术，由于其占地面积少，吊装设备简单，火炬头维修维护方便，在之前的项目中，已经有大量的成功业绩，积累了大量的经验，此技术适合在诸多的新项目中予以推广。