催化裂化裝置再生器旋分系統更換

王建山

中石化第四建設有限公司 天津 300270

1 工程概況

天津石化130 萬t/ a 催化裂化裝置再生器旋分系統經過多年的使用后，旋風分離器材質已經出現劣化的趨勢，并且旋分效率下降比較嚴重。為確保整套催化裂化裝置長周期運行，需對再生器封頭及旋分系統進行更換。封頭直徑為8900mm，新封頭及旋風分離系統整體重150t。要求在裝置停工期間完成封頭及旋分系統的整體更換，工期非常緊張，僅12d，并且施工現場條件苛刻，在整體吊裝及旋分系統安裝等相關問題的處理上存在較大的難度。再生器主要技術參數和封頭、旋分系統結構形式分別見表1 和圖1。

催化裝置前部（南側）吊車站位區域、封頭承重支架安裝區域場地較為狹窄，地下管線較多，并且吊車站位區域內有1 座循環水閥門井，封頭承重支架處還有2口污水井。

封頭及旋分系統組裝工序復雜：封頭采取整體到貨的形式（集氣室在制造廠安裝完成），集氣室襯里在制造廠進行施工，封頭部分襯里在現場進行施工。封頭到現場后需要進行兩次翻身：首先，封頭采取口朝下的方式使用軸線車運至現場，使用2 臺汽車吊完成卸車及第一次翻身,并安裝于1.8m 支架上；然后進行封頭襯里施工，待襯里施工完成且強度達到要求后，進行第二次翻身，并安裝于8m 承重支架上。

封頭8m 承重支架處下部存在管線，并且附近有2口污水井，所以承重支架下部鋪設黃沙進行找平，承重支架柱腳下部采取墊路基箱的方式來分散受力，以保證地面受力在其承載范圍之內。

表1 再生器技術參數

圖1 封頭及旋分系統結構示意圖

2 施工方法

因要求在停工期間內完成封頭及旋分系統的整體更換，工期非常緊張，若采用常規方法無法達到施工要求。為此，經與業主單位多次論證和分析后，決定采取模塊化安裝的方法，封頭與旋風分離系統進行地面組裝，停工后對舊封頭及舊的旋風分離系統進行整體更換。該方案能夠大大節省整套裝置停工檢修時間，但同時也帶來了極大的技術風險和施工難度。

3 關鍵技術難點

（1）在地面進行模塊化組裝，新封頭及旋風分離系統整體安裝到舊筒體上，以及焊接過程中旋分垂直度如何保證。

（2）裝置處于開車狀態，無法測量舊筒體的冷態周長，新封頭和短節在制造時的直徑是否執行圖紙尺寸，如何保證新舊筒體的直徑在規范允許的范圍內。

（3）8.9m 大直徑封頭的兩次吊裝翻轉，尤其是第二次襯里完成后的翻轉難度極大。

（4）封頭及旋分在地面進行組裝，必須將新封頭架空在一定的高度上，封頭架空如何處理。

（5） 可供650t 履帶吊站位及移動的場地較小，650t 履帶吊超起配重外沿半徑16m，而且超起配重距離地面非常近。為了滿足超起配重的旋轉條件，需對以吊機回轉中心為圓心，以16m 為半徑范圍內的地表以上障礙物進行清理。

現場實際情況是：吊機站位（北側）的前部為裝置的外取熱框架和提升管反應器框架，無法進行拆除；西側為破乳劑罐、柴油罐、防火墻，以及2 個支撐新舊封頭的設備承重支架，無法進行拆除；東南側為閥門井、消防炮等，可以進行拆除處理。吊機西側和前部（北側）只能在吊機站位時予以考慮。在吊車的行走路線上有DN350 EL- 250 消防管線1 根、DN500EL- 1300 管線1 根、DN300EL- 1350 管線1 根、DN300 EL- 1200 管線1 根、DN40 EL- 900 管線1 根，且管線呈東西走向，650t 履帶吊行走時無法避開。

4 問題的分析和解決

4.1 旋風分離器的垂直度保證措施

再生器共有一、二級旋風分離器8 組共16 臺（每組重量7.8t），旋風分離器的最終垂直度偏差在5mm[1]以內。為保證旋風分離器的垂直度，必須解決好以下四方面的施工問題。

4.1.1 封頭及集氣室的制造精度

封頭及集氣室部分為天津冠杰制造，在旋分更換的方案確定后，我方會同業主、冠杰及旋分制造廠營口慶營共同確定了施工界面及各方面技術指標的要求，要求冠杰在制造封頭時嚴格按照標準規范執行；每組一級旋分吊掛孔的中心到對應的二級旋分出口斜接管中心的距離必須符合圖紙要求，偏差必須全部在0～2mm 以內；封頭制造完畢安裝一級旋分吊掛孔及集氣室時，必須保證整個封頭的水平度；必須對業主及我方進行工序報驗及最終的尺寸檢測，以保證所有相關尺寸全部在要求之內。

4.1.2 旋分的制造精度及一、二級旋分的組對精度

在與冠杰進行對接的同時，也要求營口慶營制造的旋分每組一、二級旋分中心距偏差必須在0～2mm。為保證一、二級旋分的垂直度，每組一、二級旋分的同心度及一、二級旋分的中心距，旋分在組對時必須采取垂直方式。我方與業主多次對相關尺寸進行了檢測。

4.1.3 一級旋分與吊掛連接及二級旋分與集氣室上的斜接管焊接問題

旋分安裝的垂直度是保證整個旋分系統垂直度的關鍵。

首先，我方在封頭翻身安裝于8m 大承重支架上之前，先對承重支架柱頂板進行抄平，抄平完成后再安裝封頭；封頭安裝于承重支架上后，再對封頭水平度進行精確調整，且在吊裝旋分的過程中每天對封頭的水平度進行一次復測。必須8 組旋分全部吊裝就位后，再對每組旋分進行組對、焊接。旋分分組時，在保證每組旋分垂直度的同時，還必須保證8 組旋分的一級旋分進風口全部在圖紙要求的標高，且保證8 組旋分在同一水平面上；然后調整8 組旋分的垂直度；調整好垂直度后對二級旋分上口進行焊接，在焊接前要對二級旋分上口的組對間隙進行嚴格的控制，以保證焊縫受熱后收縮量一致；然后采用2 人對稱焊接，焊接的同時旋分下部安排專人觀察旋分垂直度的變化情況，隨時與上部焊工進行溝通，以保證旋分的垂直度在標準允許的范圍內。

4.1.4 新封頭及旋分系統與舊筒體的組對焊接

（1）在確定旋分更換的同時就制定了封頭更換的一系列措施，如封頭的切割位置、舊封頭的拆除方法及新封頭直筒段的尺寸。

（2）因裝置處于運行狀態，再生器運行時其內部溫度在700℃左右，外壁溫度在200℃左右，遂對現有筒體切割處采取測量熱態周長、實測筒體外表面溫度，并使用自制的整體樣板進行貼靠比對。

熱膨脹量（ΔL）計算公式見（1）。

式中：ΔL——熱膨脹量，mm；

t1——現場實測溫，℃；

t2——環境溫度，℃；

L——圖紙外周長，mm；

a——平均線膨脹系數，mm/ (mm·℃)。

現場實測溫度平均值為 198.5℃， 按照GB150- 2011 中表B.14 鋼材平均線膨脹系數查得a=12.25×10-6mm/ (mm·℃)[2]，現 場 實 測 溫 度t1=200℃，圖紙外周長L=28123.537mm，環境溫度t2=20℃，計算熱膨脹量ΔL= 62.012mm。但現場實測熱態外周長為28128mm，經過考慮內部有襯里及外部有平臺、管線等束縛，決定按照圖紙制作新封頭及筒節。后經現場實測，在裝置停車氣刨抽條完成后，發現對口處的周長為28118mm，比圖紙值小了10mm，但此數值包括抽條時因受熱而收縮的量，因而可以確定再生器器壁在熱態和冷態情況下周長的變化較小。

（3）在再生器運行狀態時，使用自制的整體式樣板對再生器對口處的橢圓度進行了貼靠，發現對口處的整體圓形。為此，在對口前在對口處往下返200mm焊接一圈寬200mm、厚20mm 的加固圈，以此來保證舊封頭拆除后對口處不會出現變形。

（4）為保證新封頭安裝時達到精確的水平度，從而保證旋分系統的垂直度。在割除舊封頭時，利用U 型管進行定位，采取分段對稱氣刨抽條的方法來減少熱影響變形。舊封頭吊除后，先對舊筒體的對口處進行修口，然后利用U 型管對對口處的水平度進行最終的測量和修正，從而確保舊筒體組對基準面的水平度。

4.2 大直徑球形封頭的吊裝翻轉

封頭的翻轉分為3 個步驟：起吊離地懸空，封頭采用2 臺吊車平抬，封頭處于平衡狀態；封頭采用主吊車（1 臺吊車）吊裝兩個吊耳，溜尾吊車緩慢送繩，最終使封頭環口呈豎直狀態；封頭以主吊車吊鉤為中心旋轉180°，溜尾吊車將鋼絲繩栓掛在另外2 個吊耳上緩慢起吊，將封頭另一側吊起，完成封頭翻轉過程。

再生器封頭直徑為8.9m，為滿足襯里施工的要求，封頭需進行兩次翻轉。特別是第二次翻轉時，內部襯里已經施工完畢，其重量大，翻轉難度也大。

4.2.1 吊裝方式的選擇及吊耳的設計

吊耳的選擇與設計兼顧封頭翻轉和最終封頭與旋風分離系統的整體吊裝。在封頭頂部接近于一級旋分吊掛孔心線的圓周上布置4 個50t 級的板式吊耳，用于封頭及旋分系統的整體吊裝。在吊裝物體（封頭、直筒段、集氣室）的重心位置上布置2 個50t 級的板式吊耳，規格同上述4 個50t 級的板式吊耳；在下部貼近封頭直筒段環口的位置對稱于上述2 個吊耳位置內部設置2個板式吊耳，用于翻身。具體的吊耳焊接位置見圖2。

圖2 吊耳布置圖

再生器封頭到貨狀態為環口朝下，使用軸線車運至現場，封頭卸車及第一次翻身使用2 臺汽車吊完成；將封頭從口朝下狀態翻轉成口朝上狀態，吊裝重量60.8t（包括封頭、直筒段、集氣室及集氣室的部分襯里）；卸車及將封頭吊成豎直狀態使用2# 和3# 位置吊耳進行，其中3# 吊耳為主吊耳，2# 吊耳為溜尾吊耳；封頭吊至豎直狀態后，使用4# 吊耳作為溜尾吊耳將封頭提升完成翻轉任務。

4.2.3 封頭的第二次翻轉

集氣室及再生器封頭的所有襯里全部施工完畢后，進行封頭的第二次翻轉，即將封頭從仰置狀態翻轉成臥置狀態，吊裝重量91t。

此次翻轉首先使用3# 和4# 位置吊耳將封頭吊裝成豎直狀態，其中3# 吊耳為主吊耳，4# 吊耳為輔吊耳。為保證翻轉時不損壞直筒段的橢圓度及襯里，在4# 吊耳處采用2 根φ219×18 的無縫鋼管進行加強。封頭呈豎直狀態后，將2# 吊耳作為輔助溜尾吊耳完成后續翻轉任務。

4.3 封頭與旋風分離器組裝的架空處理

封頭架空必須具備3 個條件：

（1）封頭懸空置于一定的高度上，而且必須滿足8組旋風的吊裝空間需求。

（2）每組旋分的重量達8t，吊裝時只能從封頭的下部斜向穿入，在穿入的過程旋分將對封頭產生水平和豎直兩個方向的作用力；另外，旋風分離器的就位是逐個進行的，在所有的旋風分離器全部就位前，旋分將對封頭產生一個偏心力。這兩種不均勻的受力最終全部需要封頭的承重支架承受。

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（3）為滿足旋風分離器的最終垂直度要求，需要保證封頭安裝前承重支架上表面的水平度。

為滿足以上旋風分離系統模塊化安裝的需求，特別設計了1 個高8m 的八卦形架空裝置（圖3）。

圖3 架空裝置示意圖

4.4 封頭及旋分系統整體吊裝工藝

4.4.1 吊裝工藝

（1）封頭及旋分系統吊裝采用650t 履帶吊，站位于催化裝置前部（南側）；

（2）主吊索具采用2 根Φ65mm－6×37+FC－1770MPa 20m 鋼絲繩(每根兩彎四股使用)，以及4 個55t 級卡環，分別與頂部4 個50t 級板式吊耳連接。具體吊裝參數見表2。

表2 吊裝參數表

650t 履帶吊組車在6# 路上進行，桿長78m，具體位置見圖4。

圖4 平面布置圖、地基處理圖、吊車組桿圖

4.4.2 地基處理方案

4.4.2.1 地基計算

吊裝作業時，650t 吊車對地面壓力（設備吊裝就位狀態）計算式見式（2）。

式中：G2——650t 吊車自重，836t（車體276t+ 車身壓重60t+ 后配重200t+ 超起配重300t）；

P1——650t 吊車所受最大載荷，193t。

吊車作業時，每條履帶板下方鋪設5 塊6000mm×2000mm 路基板箱（共10 塊），由此計算地面承壓面積：A1=6m×2m×5=60m2（按照單條履帶受力考慮）。

650t 吊車對地面壓強：

因此，出于安全考慮，主吊車站位區域地基承載能力不得小于18t/ m2。

4.4.2.2 地載力試驗

委托天津市地質工程勘察院對吊車站位區域進行地載力試驗，地載力靜測值按照500kPa 進行試驗，最終試驗結果為合格。

4.4.2.3 地基處理方法

650t 吊車站位區域為混凝土地面，混凝土層厚度約200mm。吊裝前在吊裝區域鋪墊300mm 厚石子，上面鋪設鋼板（3m×6m×0.03m），最后在鋼板上鋪設大型路基箱（6m×2m×0.3m），鋼板和路基箱的鋪設要最大限度地降低對地壓強，以保證吊裝工作的安全順利進行。650t 吊車進車行走區域地下管線中除消防管線在混凝土地面以下，其余管線離地表較深。根據多年的吊裝經驗，地表1m 以下的管線在履帶板下部鋪設路基箱，路基箱的下部再墊鋼板，鋼板下部采用碎石子找平完全可以滿足吊車行走。但消防管線因離地表太近，我方經過研究決定采取在管線兩側將碎石子墊的高度稍高一點，消防管線處稍低一點，將路基箱鋪設在下部，使消防管線處不受力。吊車站位前部地溝內部鋪設φ219×10 的管線，然后內部填充河沙以保護地溝。

4.4.2.4 閥門井處理

650t 履帶吊車站位區域東南側緊鄰閥門井，井深約2m。為防止吊車站位作業時發生閥門井塌方危及吊裝作業安全，決定將閥門井進行填埋處理。閥門井處理方式如下：將閥門井井沿高出地面部分全部鑿除；地管周圈將磚墻全部砸除，以免地管沉降時磚墻將管線擱壞；用鋼板和型鋼對井內進行加固；對鋼板與井壁縫隙使用灌漿料進行填縫；用河沙將加固完成的閥門井內部填充，且每填充500mm 進行踩實一次，直至填至井沿；最后，用粗砂對井口進行找平處理并壓實，上面鋪設2 層厚度30mm 鋼板。閥門井處理如圖5 所示。

4.5 吊裝索具及吊耳強度計算

4.5.1 吊耳強度校核

4.5.1.1 吊耳板的強度校核

圖5 閥門井加固圖

吊耳材料選用 Q245R 鋼板， 屈服極限σs=245MPa，[σ]=σs/ 1.6=153.1MPa，[τ]= [σ]/ 1.7=90.1MPa，焊縫處[σ]C-C=[σ] ×0.7=107.2MPa。單個吊耳設計載荷50t，共4 個，取載荷系數1.1。吊耳受力示意圖見圖6。

圖6 吊耳受力示意圖

4.5.1.2 焊縫S1截面強度校核

S1截面抗彎截面系數W=0.00169m3。

彎曲正應力σ=M/ W=79.7MPa

S1截面剪應力τ=FH/ S1=24.5MPa

當量σmax=(σ2+3τ2)0.5

=90.3MPa＜[σ]C-C=107.2MPa

4.5.1.3 耳孔強度校核

耳孔擠壓應力，由拉曼公式得，

因此，符合吊裝使用要求[2]。

綜上所述，此吊耳板設計符合吊裝要求。

4.5.2 鋼絲繩強度校核

4.5.2.1 第一次翻轉

主吊鋼絲繩為Φ60mm－6×37+FC－1770MPa、10m/ 根的鋼絲繩2 根，每股鋼絲繩的破斷拉力為2100kN，鋼絲繩扣與水平線的夾角按60°計算，則k＝2100×sin60°×2/（9.8×60.8）＝6.1＞5，滿足鋼絲繩強度條件。鋼絲繩與每個吊耳之間用35t 卸扣連接（共需2 個卸扣）。

輔吊鋼絲繩為Φ50mm－6×37+FC－1770MPa、8m/ 根的鋼絲繩2 根，每股鋼絲繩的破斷拉力為1460kN，鋼絲繩扣與水平線的夾角為60°，則k＝1460×2×sin60°/ 9.8×42.6＝6.1＞5，滿足鋼絲繩強度條件。4.5.2.2 第二次翻轉

主吊鋼絲繩為Φ50mm－6×37+FC－1770MPa、10m/ 根的鋼絲繩2 根，一彎兩股使用，每股鋼絲繩的破斷拉力為1460kN，鋼絲繩扣與水平線的夾角按90°計算，則k ＝1460×sin90°×4/ （9.8×91）＝6.55＞5，滿足鋼絲繩強度條件。鋼絲繩與每個吊耳之間用55t 卸扣連接（共需2 個卸扣）。

輔吊鋼絲繩為Φ60mm－6×37+FC－1770MPa、10m/ 根的鋼絲繩2 根，每股鋼絲繩的破斷拉力為2100kN，鋼絲繩扣與水平線的夾角為60°，則k＝2100×2×sin60°/ 9.8×63.7＝5.8＞5，滿足鋼絲繩強度條件。

4.5.2.3 封頭就位吊裝

主吊鋼絲繩為Φ65mm－6×37+FC－1770MPa、20m/ 根的鋼絲繩2 根，每根兩彎四股使用，每股鋼絲繩的破斷拉力為2560kN，鋼絲繩扣與水平線的夾角按60°計算，則k＝2560×sin60°×8/ （9.8×181）＝10＞5，滿足鋼絲繩強度條件。鋼絲繩與每個吊耳之間用55t 卸扣連接（共需4 個卸扣）。

4.5.2.4 煙道吊裝

主吊鋼絲繩為Φ40mm－6×37+FC－1770MPa、20m/ 根的鋼絲繩2 根，每根一彎兩股使用，每股鋼絲繩的破斷拉力為935kN，鋼絲繩扣與水平線的夾角按90°計算，則k ＝935×sin90°×4/ （9.8×55）＝6.94＞5，滿足鋼絲繩強度條件。每根鋼絲繩用1 個35t卸扣配合使用（共需2 個卸扣）。

5 結語

實踐證明，催化裂化裝置再生器旋分系統的更換采用模塊化安裝法，封頭與旋分系統進行地面整體組裝，裝置停車后對舊封頭舊旋分系統進行整體更換的方案，是切實可行的。該方案不僅大大節省了裝置的停工檢修時間，而且保證了旋分系統苛刻的垂直度、一旋入口標高等一系列技術指標達到要求。