一起空分主塔傾斜故障的分析和處理

王繼鐸

（本鋼板材股份有限公司氧氣廠，遼寧本溪117002）

一起空分主塔傾斜故障的分析和處理

王繼鐸

（本鋼板材股份有限公司氧氣廠，遼寧本溪117002）

對一起制氧機主塔的傾斜原因進行了分析，詳細計算了塔器的冷縮量，據此提出整改方案并實施，同時對機組其他問題進行了同步處理，取得良好效果。

冷箱；切換系統；主塔；垂直度；分析；處理

1 概述

本鋼氧氣廠3#制氧機組于1974年建成投產，為日本神戶公司全套設備，設計氧氣、氮氣產量各10000 m3/h，原裝置不產氬氣，1998年進行過改造增加產氬系統，設計氬氣產量180 m3/h。2005年該廠6#、7#制氧機組相繼投產，3#制氧機組從生產一線退出，轉為備用機組，根據近年來的運行情況，廠決定對其進行大修，重點放在冷箱內部塔器管道的檢查和處理上。

2 冷箱系統存在的問題及分析

2.1 存在的問題

冷箱扒砂后，對塔內容器管道檢查，存在的問題有：主塔向西南側污氮管方向傾斜，向西側水平偏移38 mm，向東側水平偏移5 mm，總偏移量為38.3 mm，輔塔及上塔中部塔皮有凹陷，塔內部分管道凹陷，上塔出來的污氮管路N2閥門閥桿折斷，閥體支撐架脫落，冷箱內部分管道支架損壞。

2.2 原因分析

塔內原有支架大部分為普通碳鋼材質，耐低溫性能較差，冷箱內工作溫度在-170℃～-196℃，普通碳鋼材質支架長時間在這種溫度下工作，極易發生低溫脆裂現象。本次改造將碳鋼支架改為不銹鋼支架。

同樣原因，由碳鋼材質制作的N2閥門支架也發生低溫脆裂現象，如圖1所示，N2閥支架由支撐1、支撐2和連接螺栓組成，支撐1固定于冷箱骨架上，支撐2通過連接螺栓固定在支撐1上，由于碳鋼材質的螺栓不耐低溫，脆裂折斷，支撐2脫落，從使整個N2閥門失去支撐。

圖1 閥門支架示意圖

作進一步的分析，污氮管路是與上塔相連接的最粗的管路，直徑達600 mm，污氮管路和N2閥門自身的重量比較大，而N2閥門支架是整個污氮管路上的唯一支架，在N2閥門支架未損壞時，整個系統處于受力平衡狀態，當N2閥門支架脫落后，N2閥門及污氮管道下沉，而閥桿手輪端固定冷箱壁上，導致閥桿在A處受到剪切力發生折斷。

污氮管道起于上塔肩部，由于N2閥門支架脫落，整個上塔受到污氮管路及N2閥門向下的拉力，加之運行狀態下，塔內汽液不斷對塔壁進行沖擊，加劇了這種向下拉的趨勢，最終導致了上塔向污氮管方向傾斜，中部發生凹陷。

上塔頂端為輔塔，輔塔頂端連接純氮氣輸送管道，其水平方向管路與污氮管路水平方向成對角線，由于污氮管道對上塔的拉拽，輔塔底部和頂部分別受到上塔和純氮氣管路相反方向的剪切力，最終導致其中部發生變形，產生凹陷。

3 問題處理

對于N2閥門，我們重新加工了閥桿，加固了N2閥門支架，螺栓改為不銹鋼材質并且加粗。施工步驟如下，先將污氮管道從頂端吊住并斷開和主塔的連接，拆卸閥門處理，閥門回裝，支架加固，待主塔垂直度調整完畢后，將污氮管道與主塔連接。

上塔傾斜扶正處理，參照新建6#、7#機制氧機組冷箱內部結構，決定在上塔加拉筋，用緊線器進行調整。

準備工作，斷開和主塔連接的污氮管道和其他妨礙主塔垂直度調整的管道，測量垂直度，記錄偏移量和方向。由于塔體材質為鋁，并且較薄，故而在上塔頸部加上不銹鋼圍帶，規格100 mm×12 mm，圍帶和主塔之間墊4 mm聚四氟墊片，不銹鋼圍帶和冷箱板骨架上各焊接4個耳板，內孔?=40 mm，圍帶上下方分別焊接止動鋁板。

上下塔收縮量的測算。

由于空分系統運行過程中，冷箱內平均溫度保持在-180℃左右，室溫為15℃～20℃，溫差達195℃～200℃，塔的加固就不能不考慮塔自身在溫差作用下的收縮問題。

對工作狀態下塔內的溫度分布情況進行分析，沿著整個主塔從下到上溫度由高到低，并且溫降呈非線性。由于主塔內氣體不斷從下向上與從上向下的液體進行傳熱傳質，可近似看作是逆流式換熱器，運用傳熱學的理論計算主塔工作狀態下和室溫條件下的溫差是可行的。同時，為了使計算結果更趨于實際，縮小誤差，將整個主塔分為三段（具體見圖2），分別計算每段的對數平均溫差，分別計算出每段各自的收縮量，求和，即為這個塔的收縮量[1]。

計算過程如下：

下塔為Ⅰ段，冷凝蒸發器到上塔中部為Ⅱ段，上塔中部到輔塔頂部為Ⅲ段；由運行記錄及查圖表得出主塔的從下到上5個溫度參考點的溫度值為：

t1=-170℃，t2=-177℃，t3=-183℃，t4=-186℃，t5=-196℃

圖2 主塔三段尺寸示意

主塔扶正加固施工在9月份白天進行，此季節白天平均溫度t0=15℃，則溫差：

Δt1=185℃；Δt2=192℃；Δt3=198℃；Δt4=201℃；Δt5=211℃。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的對數平均溫差分別為：

ΔtⅠ對=（Δt2-Δt1）/（lnΔt2-lnΔt1）=189.5℃

ΔtⅡ對=（Δt4-Δt3）/（lnΔt4-lnΔt3）=200.5℃

ΔtⅢ對=（Δt5-Δt4）/（lnΔt5-lnΔt4）=207℃

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段各自收縮量計算：

主塔材質為鋁，從有關資料上查得其線膨脹系數為0.02234 mm/m·℃～0.02238 mm/m·℃，取平均值為0.02236 mm/m·℃，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段長度如圖2所示分別為11 m、8.2 m、8.2 m，則

LⅠ=0.002236×11×189.5=46.6 mm

LⅡ=0.002236×8.2×200.5=36.7 mm

LⅢ=0.002236×8.2×1207=37.8 mm

L總=LⅠ+LⅡ+LⅢ=120 mm

由前面計算得知整個塔的收縮量為120 mm，確定拉筋在冷箱骨架上的固定點在低于上塔頂端60 mm處，帶緊線器的?=30 mm的不銹鋼拉筋連接于圍帶和冷箱耳板上，加固裝置如圖3所示。

圖3 帶緊線器的拉筋連接示意

準備就緒后，我們開始對上塔垂直度進行調整，緩慢調節緊線器，邊調節邊觀察，當水平偏移量縮小到13 mm時，緊線器已很難再調節，測算上塔垂直度為13 mm/14000 mm，小于1/1000[2]，在合格范圍內。

塔垂直度調整完畢后，將和上塔連接管路恢復連接，對空分系統進行充氣試壓查漏。經檢查，垂直度調整過后，塔本體沒有發現泄漏處。在這之后，對于塔體的凹陷，我們作了10個鋁質“ㄈ”形加固件，焊接在凹陷處的上下塔皮上，以避免進一步凹陷。

裸冷結束后，再次測量塔的垂直度，水平偏移量降為5 mm，這是由于試壓及低溫條件下，塔本身的變形補償能力發揮了作用，主塔垂直度調整工作獲得成功。

4 板式切換系統改造

由于3#制氧機是老設備，還沒有采用分子篩吸附器，空氣凈化是通過板式換熱器的自清除實現的。當空氣流經板式換熱器時，其溫度由常溫逐漸冷卻至-170℃，空氣中的水分不斷以水珠、雪花等形態析出，沉積在換熱器通道上，當溫度降至-60℃時空氣中已基本不含水分；空氣溫度降至-130℃以下時，空氣中的二氧化碳也以干冰的形式析出，至-170℃時空氣中已基本上不含二氧化碳了。下一個周期上塔出來的干燥污氮氣流經原來空氣所走的通道，將凍結在板式通道上的水分和二氧化碳帶出裝置外，這樣空氣和污氮交替流經板式換熱器通道，流向相反，每個周期切換一次，保證進入主塔系統的空氣純凈[2]。

3#制氧機板式切換系統共分為3大組，每組5個換熱單元，每個單元由熱端、冷端兩部分組成，熱端由1個五通閥、冷端由2個小自動閥箱實現路由切換，總計15個五通閥、30個小自動閥箱。由于五通閥門數量眾多且經常損壞，不易于檢修，本次改造將五通閥改為切換閥組，各個換熱器進出管路進行連通匯總，熱端集中由3組切換閥組實現五通閥的功能，冷端合并為6個大自動閥箱控制路由切換。

5 其他改造

原空氣噴淋冷卻塔內裝磁環，破損率高，冷卻效果差，更換后的噴淋冷卻塔體積增大，內部按1：2的比例填裝不銹鋼鮑爾環和塑料鮑爾環，鮑爾環表面積比磁環更大且不易損壞，冷卻效果顯著加強。

空氣吸入過濾器由布袋式過濾器改為自潔式過濾器，提高過濾效果。

冷箱走臺原為花紋鋼板，上面易于積存雨雪，已經嚴重腐蝕，給操作帶來安全隱患。此次改造更換為鋼格柵板，有效地解決了上述問題。

6 結語

本次3#空分設備改造工作的重點和難點在于冷箱內鋁制塔器、鋁管道的檢修，檢修后機組運行穩定，各項工藝參數達到原設計要求，檢修改造取得了成功，為今后塔器和管道檢修積累了寶貴經驗。

[1]李化治.制氧技術[M].北京：冶金工業出版社，2001：71-73.

[2]湯學忠，顧福民.新編制氧工問答[M].北京：冶金工業出版社，2001：90-91，268.

Analysis and Treatment of a M ain Column Leaning Fault of Air Separator

WANG Jiduo
(Oxygen Generation Plant of Benxi Steel Plate&Sheet Co.,Ltd.,Benxi,Liaoning 117002,China）

The causes of the main tower leaning of an oxygen generation plant were analyzed and the cold shrinkage of the tower was calculated in detail,based on which a rectifying program was proposed and implemented while other problems in the unit were also treated,which has achieved good results.

cold box；switching system；main column；verticality；analysis；treatment

TB657.7

B

1006-6764(2015)08-0031-03

2015-05-29

王繼鐸（1979-），男，2002年畢業于遼寧科技大學，工程師，現從事設備管理工作。