加热炉大型模块化优势及设计要点

陈小东，许明明

（宁波连通设备集团有限公司，浙江 宁波 315207）

加热炉是石油化工装置中的主要非标设备之一，技术含量相对较高，结构复杂，制造中涉及的材料种类、工种、工序繁多，设计和施工质量对装置的长周期安全运行起着重要作用。随着新建装置逐渐向大型化、规模化、高速建设、高质量方向发展，运输设备、吊装设备、制造厂技术水平和装备能力的不断提升，加热炉的建造方式也逐渐由传统建造模式向大型模块化模式转变。

1 模块化优势

传统的建造方式：是将加热炉所需的钢结构材料、受压元件材料、衬里材料和炉配件等发运到现场，由施工单位在项目现场进行下料、预制，由下至上进行焊接和组装。大型模块化是由制造厂在车间内和组装码头进行，按模块化设计方案完成绝大部分原施工单位在现场完成的工作，以高度集成的模块运输到现场，如图1。

图1 某装置大型模块化出厂状态（约1500t）

（1）制造条件更好。相对于传统建造模式，大型模块化在制造厂内的专用平台上制造，受空间限制小。在一些改扩建、装置集中施工的项目上，现场施工场地有限，作业相互交叉干涉，严重影响进度。

（2）受天气影响较小。对一些特殊的工序，如焊接、衬里浇筑、油漆施工，模块化制造在雨雪、大风、大雾、低温天气也能在厂房内进行施工。

（3）更高的工作组织效率。模块化工厂有专门的组织机构和固定的专业队伍，成熟的制造流程及工艺，能有序的组织高效生产。

（4）缩短整个建设周期。传统建造模式由下至上建造，须不断搭设脚手架及施工平台，用汽车吊或塔吊辅助施工。而模块化工厂每一个制造区域都配套有多台独立的行车，辐射段、对流段、平台梯子等部件可铺开同步制造，一般能缩短4 ～6个月的建设周期。

（5）更好的工程质量。车间制造环境有利于工人技能的发挥，还可为重要部件的焊接创造出比现场更为有利的条件，如炉管焊接把技术难度高的露天高空立焊和固定焊改为技术难度低的平焊和转动焊；现场衬里施工高空作业难度大，工厂内可采用现场建造不能实现的浇注料地面平衬，厂内养护和烘干，提高衬里施工质量。厂区内检验设备齐全，检验更为精准便捷，即使出现偏差，也能比现场建造更快发现和更好的纠正

（6）更专业的制造设备。模块化工厂可使用更为专业的大型工装机具，有利于提高工作效率和制作精度，如用埋弧焊等高质高效焊接方法；使用专用数控设备进行切割下料、钻孔、锁口等流水化作业；工厂配备的喷砂房，整体喷砂更彻底，粗糙度容易控制，专用的油漆房施工更环保，油漆均匀，美观，且损耗小。大型热处理炉能完成大型受压元件的整体热处理，受热均匀，不易变形。专用探伤室能快速跟踪焊接质量，且拍片进度不受其他因素影响。

2 大型模块化设计要点

大型模块化在工程质量和缩短建设周期上有明显优势，但增加的运输费和吊装费占比较大，在项目投资金额占比方面优势不明显。模块化设计的重点是围绕着制造、运输、安装进行，此外还需结合项目建设周期，资金预算等，策划模块化设计方案，找到建设周期和投资费用的平衡点，以获取项目早日投产的经济效益最大化。

（1）确定模块化深度。不同规模的加热炉，模块化设计时的模块化深度也不一样。主要影响因素有：运输路线上厂区道路、公路、码头、引桥的承载能力；桥梁、隧道等的限高、限重、限宽要求；路障是否可拆、拆除和恢复的成本；运输路线选择时还要考虑到车辆转弯半径，在改扩建装置区内的大型模块化项目应重点考虑；大型模块化还要考虑运输设备的能力，选用液压平板车时除了考虑运输能力外，还要考虑顶升能力和顶升高度；现场吊装设备的起吊能力和吊装条件也是影响模块化深度的主要因素之一。逐项落实以上影响因素后，结合项目投资费用，确定可执行运输、吊装方案等后，方可确定模块化深度，即模块化的大小和数量。

（2）策划结构划分方案。模块化设计时在进行结构划分时，分界面应尽量避开主要立柱和横梁，不能减弱原设计钢结构强度；分界面应离立柱、横梁300mm 以上，给工厂制造和现场安装留出操作空间。辐射炉顶与侧墙/端墙的分界面尽量留在侧面和端面，若留在炉顶内部密封焊为仰焊，增加安装难度，也增加了顶部漏水的风险。模块分界面和副框架等现场安装连接应以螺栓连接形式为主，焊接为辅；弯头箱宜采用小片整体覆盖式，陶瓷纤维保温轻量化设计结构，单片重量不宜超过50kg；对流模块的分界面以人孔门中心线划分为宜，总的设计思路还是围绕满足运输要求，方便现场安装、拆卸、维护和检修，减少现场安装的高空作业量等出发点进行。

（3）重点落实运输和吊装保护方案。按静设备设计的加热炉，常规结构设计时主要考虑地震载荷和风载荷，正常运行时处于静止状态，而运输和吊装过程是不断变化的动态过程，因此模块化设计时要收集参数条件，进行详细的运输、吊装时结构稳定性计算，并采取相应的加固方案来增强结构的稳定性。除了根据从运输尺寸和重量来策划模块化设计外，还应重点计算运输时承重钢结构的运输强度和刚度。加热炉原本主要由立柱承担炉本体几百吨至超千吨的重量，炉底横梁只承担部分壁板、衬里材料、受压元件的重量，模块化设计后，在输运时需要承担更多的重量，如图1 所示，炉底横梁运输时承担重量呈几何倍数增加。此时，模块化设计时可采取加大炉底横梁规格、对横梁进行焊接补强、炉底横梁与立柱连接采用等强连接节点形式、设置运输辅助承载梁、可拆加固结构等措施，最后通过计算确认满足运输要求。对流模块可设置托架和顶部斜撑保证衬里质量和运输稳定性，还应设置拉杆以便现场安装调整合理的弹性变形，布置防窜动装置避免运输时紧急制动对翅片造成破坏。

为确保现场安全及时的吊装模块，应合理设置吊点，多采用吊座和螺栓连接方式，减少因焊接吊耳给安装现场带来的高空切割、打磨和油漆修补工作量。同时，吊点处钢结构和吊座在制造时的全熔透焊接和100%无损检验应做硬性技术要求，并严格执行。

3 加热炉大型模块化注意事项

加热炉大型模块化的主要目的还是保证质量，缩短建造周期，控制成本。执行过程中还有不少需要注意的细节，如海运的防潮密封方案和绑扎点形式及位置设计，加固材料的连接形式和颜色标记，安装指导说明书都对项目执行有影响，同时，应加强与安装单位的沟通交流，征求模块化设计时的意见和建议，如分界面位置、吊点位置等，商讨到货顺序和到货时间，确保模块按时到达，及时吊装，避免模块早到造成压车或晚到造成大吊车空闲的情况出现。

4 结语

加热炉大型模块化不是对传统建造模式的全盘否定，是时代发展催生的新型建造模式，模块化设计也没有固定方法和模式，不同的项目须做专项分析，综合以上设计要点，策划出最合理的模块化方案，以此来推动石油化工行业高质快速发展，让业主和参与方都获得最大化利益。