反應器進料加熱爐的模塊化設計

王子興，楊美娥

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

自上世紀90年代開始，管式加熱爐的建造逐漸由傳統方式的設計、制造、安裝向工業爐的模塊化設計進行轉變。根據工業爐結構特點，對其按結構、運輸限制等要求劃分成若干個部件，每一部件能以模塊集成而進行的設計，稱為工業爐模塊化設計[1]。模塊化設計的優劣是影響管式加熱爐建造質量、建造周期的首要因素，成熟的模塊化設計不但能縮短工程周期，而且能節約運輸和建造成本。按照模塊化程度的不同，管式加熱爐的模塊化主要有3種形式：傳統的分體制造運輸和現場組裝，部分模塊化以及整體模塊化[2]。

目前，國外大型工程公司為確保工程質量節省費用投資多采用整體模塊化設計。如1992年沙特阿拉伯石油化工公司500kt/a乙烯裝置中的10臺Kellogg毫秒裂解爐，在比利時Antwerp制造，交貨狀態以兩臺為一組，5組模塊整體交付；2008年新加坡Jurong島埃克森美孚化學廠100kt/a乙烯裝置中的7臺ExxonMobil裂解爐及整體管廊，由Heurtey Petrochem公司在泰國Sattahip港進行整體模塊化制造。交貨狀態包括爐體，鋼結構，所有附屬設備，儀表，配管，電氣，電纜及照明。國內由于受到制造、運輸及施工條件等因素的限制，基本采用部分模塊化的設計方式[3-6]。

本文以某煉化裝置中的反應器進料加熱爐為例，對管式加熱爐的輻射段，對流段及煙囪段部分模塊化設計實施方法進行具體介紹。反應器進料加熱爐設計熱負荷為12.26MW，爐型為對流-輻射型立式圓筒加熱爐，對流段與輻射段均加熱同一種工藝介質。綜合考慮加熱爐的結構，制造和運輸條件等因素，采用部分模塊化的設計方式。反應器進料加熱爐總圖如圖1所示。

圖1 反應器進料加熱爐總圖

1 輻射段的模塊化

1.1 爐底模塊化設計

反應器進料加熱爐的爐底直徑為Φ7962mm，由于超出公路運輸高度和寬度的限制，因此爐底鋼結構采用模塊化設計方法。爐底柱腳板模塊化設計采用整體柱腳板結構，一半帶整體底板，另一半組合后用高強度螺栓連接的結構，如圖2-1所示；爐底柱腳板組裝后的結構如圖2-2，柱腳板現場組裝后施加密封焊。

1.底板整體結構 2.組裝結構

爐底環梁和爐底梁的分塊數量應與爐底柱的分塊相一致。爐底環梁采用箱型槽鋼結構，模塊分塊處用連接鋼板進行連接，爐底梁則采用同型號的槽鋼"背靠背"方式進行分塊，現場組裝后用高強螺栓進行連接，爐底連接界面之間采用內側連續焊，外側間斷焊。為滿足爐底鋼結構的剛度和穩定性的要求，爐底中心設置中心柱進行支撐。爐底中心柱與爐底梁連接處各設置一塊托板，現場安裝時將各自的托板進行對接，并用高強度螺栓進行連接，其結構如圖3所示。

圖3 爐底中心柱連接結構圖

1.2 爐體模塊化設計

加熱爐輻射段爐體的模塊化主要是對爐體立柱和爐墻的分塊設計。本臺加熱爐輻射段直徑Φ7282mm，高度12430mm。爐體立柱選用H型鋼，為保證立柱的整體強度不被削弱采用兩個同型號的槽鋼“背靠背”高強螺栓連接附加現場焊接的方式進行代替，如圖4所示。

圖4 輻射段立柱分塊結構圖

考慮到爐膛的密封性以及現場焊接施工問題，對于輻射段端墻、側墻相鄰兩個模塊連接界面之間采用爐內間斷焊，外側連續焊結構。在連接面處設置耐高溫，具有一定密封作用的材料，如陶瓷纖維繩(帶)，高溫密封膠等，以此增加結構的密封性，減少漏風損失保證加熱爐熱效率。模塊柱頂與副框架立柱連接，采用兩個背對的槽鋼各帶一半柱頂板與副框架立柱底板先用高強度螺栓連接，再在連接板之間施加強度焊，如圖5立柱螺栓焊接連接結構圖。

圖5 立柱螺栓連接結構圖

1.3 爐頂模塊化設計

輻射段爐頂環梁結構與爐底環梁結構相類似，因而其模塊化設計方式一致。根據輻射段爐頂結構特點，爐頂板與爐頂梁同時進行分塊設計。分塊的原則盡量沿對流室爐管方向的橫梁進行分割。其中沿對流盤管方向和垂直盤管方向橫梁間的連接尤為重要，因此采用沿對流盤管方向的橫梁上焊接兩塊連接角鋼，連接角鋼另一端和垂直盤管方向的橫梁用高強度螺栓連接的方式。為保證爐頂板的剛度，在爐頂板各模塊上焊接一定量的加強筋。爐頂分塊之間連接后內外側均采用連續焊，以確保爐頂的密封性。

2 對流段的模塊化

加熱爐對流段尺寸5700mm(長)×3200mm(寬)×5200(高)，對流段模塊包含鋼結構、爐殼板及其加強筋、管束、導向架、彎頭箱、襯里及錨固件、儀表接管、人孔等。對流段的爐管為水平布置，共分為上下兩組。對流段模塊化設計沿盤管布置方向按照制造、運輸能力等條件被分割成兩個模塊。然后以"搭積木"的形式在現場進行對接，模塊之間連接處的立柱采用與輻射段模塊分割方式進行，如圖5所示。模塊連接界面之間采用外側密封焊。

對流模塊襯里厚度根據對流段管排最外側尺寸進行調整，側墻襯里上設置折流凸臺。對流段模塊襯里下部設置襯里護板，襯里護板寬度小于襯里厚度。由于襯里護板寬度大于50mm，因此沿長度方向每隔300～500mm設置一個3mm寬切口。護板與爐殼板之間宜采用間斷焊。對流段模塊分界的襯里結構見圖6。

圖6 對流段模塊分界處襯里結構圖

對流段副框架被分割成梁構件和柱構件兩部分，構件之間的連接利用連接角鋼采用高強度螺栓連接結構。對流段副框架與主框架之間的連接形式采用連接角鋼和對流段立柱焊接在一起，現場安裝時采用高強度螺栓將其與副框架的橫梁相連接，最后施加密封焊。

3 煙囪段的模塊化

煙囪高度19100mm，依據當地環保部門有害物允許排放濃度煙囪經40m高度進行排放。由于煙囪的直徑較小，按懸臂梁進行設計，因此對于煙囪的模塊化設計，本質上是對煙囪的分段處理。該煙囪共分為3段，煙囪分段連接處焊接連接法蘭，現場用高強度螺栓進行連接，考慮到法蘭面的強度問題，相鄰兩個螺栓之間用筋板進行加強，如圖7所示。

圖7 煙囪段分段連接結構圖

4 模塊化設計的主要問題

管式加熱爐的模塊化設計目的在于滿足制造、運輸和施工過程的便捷性以及投資費用的最小化。為實現更好的模塊化設計，加熱爐的設計工作者還需注意以下幾個方面：

4.1 合理的劃分模塊

合理的劃分模塊化設計是保證制造、運輸和安裝的首要影響因素。設計者需要對加熱爐的爐體、運輸及安裝做充分的調研，在不削弱爐體各部分強度及剛度的前提下，滿足從工廠到安裝地點的運輸條件，并完成結構的優化設計。

4.2 變形控制

設計者應在焊接接頭高度、單個模塊側墻尺寸允許偏差、預組裝尺寸允許偏差、模塊尺寸以及最終模塊尺寸等方面做出相應的規范及要求。以保證制造、運輸和現場安裝過程中出現模塊變形問題，影響施工質量，將變形降低到允許的范圍內。國內已有相關的標準規范對模塊化的制作過程中的變形及尺寸要求做出了相應的規定[1，7-8]。

4.3 模塊間的密封

雖然模塊化設計有諸多優點，但模塊與模塊之間的拼接會加大漏風系數，這便給加熱爐的熱效率帶來了新的問題。加熱爐熱效率的高低對裝置的能耗水平有直接的、重要的影響，是衡量加熱爐先進性的重要指標[9]。設計者應確保加熱爐的熱效率不因模塊化的設計而受到影響。如對流段模塊化設計中，應在模塊對接處預留15mm左右的縫隙，施工時用陶瓷纖維毯進行填充，然后進行對接，見圖6。

5 結語

介紹了反應器進料加熱爐輻射段、對流段及煙囪段的模塊化設計具體實施方法。通過對反應器進料加熱爐的模塊化設計，縮短了加熱爐的建造周期，節省費用投資并確保了加熱爐本體的現場施工質量。另外，加熱爐的模塊化設計除依照相關標準規范外，還應與制造、運輸及安裝緊密結合，以提高項目建設質量，縮短建設周期。

[1] 中華人民共和國工業和信息化部. HG/T20659-2014化學工業管式爐對流段模塊技術規范[S]. 北京:中國計劃出版社,2015.

[2] 余海軍.石油化工圓筒爐模塊化設計[J].工業爐,2013,35(5):26-30.

[3] 劉 克,王 宏,倪云峰,等.裂解爐對流段的模塊化設計[J].化工科技,2009,17(3):51-53.

[4] 蔡建光.加熱爐的模塊化設計與工廠制造[J].工業爐,2003,24(5):34-36.

[5] 史方軍,郭慧波.石油化工工業爐模塊化設計、制造與安裝[J].化工設備與管道,2011,48(4):15-18.

[6] 王昌冕.石油化工裝置加熱爐模塊化設計[J]. 企業技術開發,2012,31(25):36-37.

[7] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. HG/T20541-2006化學工業爐結構設計規定[S]. 北京:中國計劃出版社,2007.

[8] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. SH/T3036-2003一般煉油裝置用火焰加熱爐[S]. 北京:中國石化出版社,2004.

[9] 劉 勇.提高加熱爐熱效率方法研究和應用[D].大慶:東北石油大學,2015:1-5.

(本文文獻格式：王子興，楊美娥.反應器進料加熱爐的模塊化設計[J].山東化工，2018，47(02)：94-96.)