30 萬t/a 光氣合成法TDI 裝置成套施工技術

周 華 莫長亮 楊湘陽 呂德強 胡 俊

中國化學工程第六建設有限公司 湖北襄陽 441100

中國化學工程第六建設有限公司承建的30 萬t/ a光氣合成法TDI 裝置是某公司采用自主研發新型工藝，依托某工業園產業鏈興建的新裝置，是世界TDI 產能最大的裝置。項目投資額149260.74 萬元。主裝置為光化精制單元，是整個TDI 的核心裝置。項目主要工程量包括鋼結構3100t、動靜設備341 臺、非標設備4 臺、工藝管道195000DIN、電氣電纜12km、電氣設備175臺、儀表電纜120km 和儀表設備1320 臺。

項目施工存在以下特點和難點：設備數量種類繁多，成套設備多，安裝精度要求高；裝置內工藝管線走向復雜，管道密集，施工空間狹??；裝置內危險介質較多，大部分為光氣管線，對管道安裝質量要求非常高；設備內件工程量較大，安裝精度要求較高；工藝設備管道潔凈度要求高；鋼結構工程量較大，施工場地較小，異形節點板數量及規格較多，批量加工難度大；施工周期緊張。為了按時完成施工內容，順利交工和運行，針對本項目裝置的上述技術難題，項目組展開了詳細的調研，明確施工的關鍵路線及施工技術難點，確定通過開發和應用TDI 裝置成套施工技術，達到降低施工周期，提高施工效率，提升施工效益的目的。

1 設備施工關鍵技術和創新點

1.1 創新點一：恒力彈簧懸掛設備，結構分塊組對

TDI 主裝置中，TDI 采出一級冷凝器（14E3509）、第二脫ODCB 塔中再沸器（14E3408）和第二脫ODCB塔頂一級冷凝器（14E3410）采用了恒力彈簧懸掛安裝，安裝難度高。以14E3509 為例，其安裝標高為EL+26m，重量57.9t。由于設備直徑大于懸掛彈簧框架的寬度，如果先安裝恒力彈簧，則設備將無法繼續安裝；如果先裝設備，則設備吊裝過程中必須待彈簧及支撐梁安裝完成后才能摘鉤，不僅大吊車機械成本極高，吊裝風險也十分巨大。

項目部自行研發了恒力彈簧懸掛設備的安裝工法，采用結構分塊組對施工方法，在設備吊裝前，預制并安裝上部分支撐鋼梁，預留出影響設備安裝的鋼梁。在設備吊裝前，將預留鋼梁在地面上進行分塊組對，并全部定位焊接恒力彈簧。在設備吊裝過程中，先將設備吊裝就位后，再安裝預留鋼梁就位。不僅極大縮短了安裝周期，節省了大量機械成本，還降低了施工風險。施工圖如圖1 所示。

圖1 恒力彈簧懸掛設備、結構分塊組對施工方法

根據圖1，TDI 采出塔一級冷凝器（14E3509）共計8 個支撐點，8 個恒力彈簧分別焊接在1 號鋼梁、①號八卦梁、2 號鋼梁、②號八卦梁、5- CD 軸主梁、③號八卦梁、3 號鋼梁和④號八卦梁；設備通過恒力彈簧下吊桿與設備支座連接吊裝支撐。

由于設備筒體在8 個方向上分別焊接設備支耳，若設備支座所有焊接完畢后，設備吊裝過程中將無法從預留孔中穿過。所以，設備支座無法提前全部焊接，必須在設備吊裝就位后進行補焊安裝，為節約焊接時間及降低吊裝過程中的風險，采用如下方法：

（1）1 號鋼梁西側、2 號鋼梁北側所有次梁不吊裝，并提前預制1 號主梁，通過放樣焊接該梁上設備支座用筋板等，并定位焊接完成該處彈簧后，在該梁兩端頂部翼緣板通過滿焊焊接支撐板。焊接完成后，在設備吊裝前將該梁掛至4- CD 軸附近。

（2）①號八卦梁、2 號鋼梁和②號八卦梁通過放樣，焊接各梁上設備支座用筋板等，并定位焊接完成該處彈簧，做成模塊1，放在地面等待設備就位后吊裝焊接。如圖2 所示。

圖2 ①號八卦梁、2 號鋼梁和②號八卦梁的吊裝、焊接施工

（3）5- CD 處為結構主梁，可直接焊接該處設備支座用筋板及彈簧，并在設備吊裝前焊接至26m 層結構位置處。

（4）③號八卦梁、3 號鋼梁和④號八卦梁做成模塊2。在設備吊裝前完成模塊2 與5- CD 軸主梁間的焊接。為保證模塊2 的穩定性，3 號鋼梁南側次梁可以提前預制并焊接，并需要在3 號鋼梁與④號八卦梁交叉位置處做臨時工字鋼（采用I20a）支撐。

（5）待設備吊裝就位后，通過倒鏈緩慢將1 號鋼梁拉至指定位置處，并吊裝模塊1 就位進行組對焊接。焊接完成后，設備就位連接螺栓固定。

（6）在TDI 采出一級冷凝器（14E3509）設備吊裝、就位過程中，對設備支撐筋板及恒力彈簧的定位尺寸要求需十分精準，所有的定位放樣必須根據現場到貨設備的現場尺寸進行實測后制作。設備安裝完成后效果如圖3 所示。

圖3 TDI 采出一級冷凝器（14E3509）設備安裝完成效果圖

1.2 創新點二：對內件安裝各工序進行詳細分解及控制，確保安裝精度

TDI 主裝置大量塔器需要進行內件安裝，且由于特殊工藝要求，對精度要求極高，尋?；ば袠I塔內件安裝水平度要求精度為5mm 以內（設備直徑1.6～4m），而TDI 裝置要求為1mm 以內（設備直徑4m）。為了保證安裝精度，滿足業主工藝生產需求，項目部對內件安裝各工序進行詳細分解及控制。以14C3401 塔內件安裝為例，其內件尺寸如表1 所示。

表1 14C3401 塔內件尺寸表

14C3401 塔內件整體安裝順序為至下而上安裝。每層安裝工藝流程如圖4 所示。

圖4 14C3401 塔內件每層安裝工藝流程圖

填料安裝具體技術措施如下：

（1）第一層填料為M252Y，每層由19 小層組成，每一小層高度為216mm；第二層填料為M252Y，每層由28 小層組成，每一小層高度為216mm；第三層填料為M252Y，每層由24 小層組成，每一小層高度為216mm。

（2）填料安裝時可隨用隨開，一箱一層。安裝時按安裝速度有序搬運，箱體放于塔體附近，便于吊裝和搬運，安裝填料時還要準備踩踏木板。

（3）填料的安裝要求較高，整個塔的填料安裝需從下往上（如果上、下層填料同時施工，須有相應的安全保護措施）。每一層填料均由多塊填料組成，填料可從人孔放入塔內。每一塊填料均有編號（按半圓編號），根據編號將填料排正。安裝相鄰兩塊填料時，必須在填料間放入插板，安裝完成后再將插板拿出。相鄰兩塊填料之間允許有均勻的間隙（＜10mm），但不允許有局部間隙過大的情況。填料安裝根據塔內件實際尺寸進行裁剪，如圖5 所示。

圖5 根據塔內實際尺寸進行裁剪

（4）每一層填料的底層填料安裝非常重要，決定了該填料層的安裝方位。底層填料安裝方位為：格柵方位和底層填料成90°（向東旋轉）。安裝時要做一個起始角度標示，作為安裝基準，并按照該基準同方向旋轉向上安裝上層填料。上下兩層的填料安裝角度相差90°，每安裝完四層后填料方向應回到安裝基準。同時，為了保證填料安裝的水平度，每安裝完四層填料后要使用激光水平儀對填料進行水平測試。水平測試如圖6 所示。

圖6 使用激光水平儀進行復測

（5）為避免塔壁縫隙過大，每安裝完一小層填料，必須安裝防壁流圈，使填料和塔壁間無縫隙。每安裝完兩小層填料后，均需要檢查其接觸面，保證上下兩層填料之間緊貼無間隙。

1.3 創新點三：使用氦氣檢測技術進行泄漏性檢測，防止光氣泄漏

TDI 裝置采用的是光氣合成法，光化反應是在無水環境下進行。若光化系統有水則危害巨大，輕則會加速設備和管線的腐蝕，重則副反應增加堵塞設備和管道。而光化換熱器殼側冷媒大部分都是水，因此換熱器在首次投入使用前，需要對每個換熱器殼側進行檢測，保證無泄露。根據現場實際情況，項目部采用了氦泄漏- 吸槍檢測半定量技術：在容器中充入一定壓力氦氣與空氣的混合氣，用氦氣作為示漏氣體，利用檢測儀的高靈敏度，在外側可探測出容器泄漏出來的微量氦氣，即可確定容器泄漏的位置。

2 管道施工關鍵技術和創新點

TDI 主裝置工藝管線走向復雜，管道密集，施工空間狹小。且因生產工藝特點，設計了大量光氣夾套管線，其中部分管內光氣濃度較高，屬于極度危害介質，泄露風險極大，對管道的焊接、安裝質量及內潔度要求非常高。

TDI 主裝置中部分高溫光氣管線采用了純鎳管道（N02200）。純鎳材料由于含有少量的硫、磷元素，焊接時焊縫金屬從液態冷卻凝固過程中，硫、磷與鎳形成低熔共晶向焊縫金屬的晶界偏析而形成液態薄膜，在焊接拉應力的作用下容易導致熱裂紋的產生。同時，由于純鎳材料導熱系數大且對氫氣孔非常敏感，焊接時熔池冷卻凝固快，熔池液態金屬中溶解的氫不易析出，易形成氣孔或未熔合，焊接難度較高。

2.1 創新點一：專利技術+ 氨滲檢測，確保光氣管道的焊接質量

鎳管母材具有良好的耐腐蝕性能，焊接時宜采用小線能量、窄焊道和保持電弧電壓穩定，并應采用短弧不擺動或小擺動的操作方法，坡口應選用大角度和小鈍邊的形式。在施工過程中，采用公司專利技術——一種純鎳管道的焊接方法（ZL2014 1 0088519.X），具體焊接參數如表2 所示。

表2 焊接參數表

管道施工前，項目部對光氣管線母材進行了表面無損檢測，并將發現缺陷的原材料上報業主進行處理，避免母材缺陷導致光氣泄露。

光氣夾套管內管氣密試驗后，使用氨氣滲透檢測方式對焊縫進行100%檢測。

氨滲檢測步驟及關鍵點：

（1）按要求安裝和連接試壓臨時管路。

（2）用3～5 倍充氣空間容積的氮氣置換充氣空間里的空氣（關閉出口閥，進行充氮，然后開出口閥卸壓，循環上述步驟3～5 次），直至出口氧含量≤0.5%，避免形成氨氣和空氣的爆炸混合物（其爆炸極限為15%～18%），然后關閉排出管路閥門。

（3）氮氣置換過程中，要隨時檢測管路連接部件的泄漏情況，保證無泄漏點。

（4） 最后一次氮氣置換后，泄壓時容器內留0.1MPa 壓力，設計壓力≥0.4MPa 時充入氨氣至0.2 MPa，之后充入氮氣至0.4MPa，保壓時間不低于4h。如設計壓力小于0.4MPa 時，要求充入氨氣分壓不小于30%，檢測壓力為設計壓力，保壓時間不低于4h。

（5）管道焊縫表面須清潔，如焊縫表面存在銹蝕或其他污染物，須使用中性水進行沖洗，然后用壓縮空氣或氮氣吹干，否則將影響試驗效果。

（6）將白綿布清洗（防止漂白劑漂白過的白綿布含堿性），擰干水分，均勻浸透酚酞試劑。然后緊貼在管線的焊縫位置上，將塑料布迅速蓋好，趕盡其中的氣泡，用鐵絲扎緊，要始終保持酚酞的濕潤狀態；保壓開始后，0.5h、1h 時各檢查一次，以后每2h 檢查一次，并要隨時檢查試驗管線的壓降情況，仔細觀察白綿布上有無紅色斑點出現。

（7）保壓完畢后，如果沒有漏點出現，則進行泄氨。將排出管路引至盛有水的水箱中，小心開啟閥門，直至壓力表數值為0。

（8）泄氨完畢后，用氮氣反復置換5 遍，清除氨氣，合格后拆除試漏管道及儀表，并清洗干凈。

（9）試漏完畢后，如果有漏點出現，仔細記錄漏點位置，進行焊縫返修；返修經射線探傷檢驗合格后，重復上面各項內容，直至無漏點為止。

（10）泄壓后，氨水排放至附近排水管道，為避免影響施工，排放工作應選擇在下班后進行。

2.2 創新點二：內窺鏡+ 大功率吸塵設備，確保管道內部清潔度達標

TDI 主裝置是TDI 的核心生產裝置，管道安裝過程中的內部清潔度控制直接影響TDI 的產品質量。其現場管道內部清潔、檢查如圖7、圖8 所示。

圖7 使用內窺鏡進行管道內部檢查

圖8 使用大功率吸塵設備對管道內部進行清理

采用內窺鏡對管道內部進行檢查，對管道內部不易清理的位置使用大功率吸塵設備進行清理，管道封閉前還要聯合業主、監理進行檢查驗收，并使用驗收標簽封閉。通過嚴格的檢查、管控，TDI 裝置交工后一次投產成功，產品質量優良，贏得了業主的一致好評

2.3 創新點三：工廠化預制自動焊接，提高效率，節約成本

在進行TDI 主裝置管道施工過程中，項目部對管道單線圖進行挖掘分析，發現TDI 主裝置空冷器大量連接管線走向、管徑完全一致，非常適合使用自動化焊接技術批量預制。通過利用公司專利技術（管道工廠化預制方法ZL201610920162.6），引入自動焊接設備，原需投入5 個作業班組（15 人）的預制作業，最終僅投入一個作業即完成全部焊接任務，節約了大量的人力投入成本，并且焊接質量得到了保證。

3 鋼結構施工關鍵技術和創新點

TDI 主裝置鋼結構主要施工難點：鋼結構工程量巨大，施工場地較小；傳統施工方式費時費工，難以保證施工周期；異形節點板數量及規格較多，批量加工難度大；主裝置內管廊焊接高空作業較多，腳手架及架子工需求較大，高空作業風險較大。

3.1 創新點一：地面模塊化預制，提高效率，降低風險

（1）TDI 主裝置長120m、寬38m，工程量合計3100t。項目部結合圖紙及現場實際情況，應用并優化公司鋼結構模塊化施工技術（鋼結構模塊ZL2014 2 0474199.7），將裝置所有立柱、橫梁等統籌規劃，分成24 個大模塊及若干小模塊并按計劃在地面模塊化預制，再集中整體吊裝，大大提高了鋼結構整體施工進度。

（2）在鋼結構施工中，自主研發了具有自主知識產權的管廊結構立柱對夾式可拆卸活動平臺（ZL2016 1 0725825.9）。使用此活動平臺，可在短短15min 內完成一處高空作業平臺的搭設，極大地節約了人力成本，同時還節省了大量的腳手架租賃費用。對夾式可拆卸活動平臺樣品如圖9 所示。

圖9 對夾式可拆卸活動平臺樣品

3.2 創新點二：自制電動壓板機進行異形板節點板加工

TDI 裝置結構異形節點板數量及規格較多，人工制作不僅效率慢，施工質量也難以保證。項目部通過自主研發，發明了制作異形節點板的電動壓板機，提高了加工速度，制作的異形板成型美觀，質量可靠。鋼結構異形節點板加工制作工具如圖10 所示。

圖10 現場制作完成的電動壓板機

4 儀表SIS 系統電纜敷設關鍵技術和創新點

TDI 主裝置電纜型號較多，電纜盤大小不一，每個類型電纜敷設時重新制作對應電纜盤支架耗工耗時耗料；內管廊電纜工程量較大，電纜橋架距框架平臺距離較小，施工空間較小，人工敷設困難，施工效率低，盤柜到貨晚，嚴重影響施工工期。

4.1 創新點一：采用機械敷設專利技術，節約人力和物力

（1）應用公司電纜的機械敷設裝置敷設電纜專利技術（ZL2015 2 0678797.0），代替人工敷設，解決了電纜敷設的難題，節約了施工時間及成本。

（2）現場制作利用公司可調節式電纜盤支架專利技術（ZL2013 2 0178519.X），滿足各種規格電纜的敷設要求，節省了許多人力物力。

4.2 創新點二：優化設計和敷設程序，確保項目順利中交

（1）儀表SIS 系統比DCS 系統在可靠性、可用性上要求更嚴格。按照安全獨立原則要求，獨立于集散控制系統，并且其安全級別高于DCS。SIS 系統具有如下特點：極高的安全性和有效性，即使出現故障，也要用冗余等措施使系統工作正常；故障以可預見的、安全方式出現。

（2）SIS 系統的最終目的是通過對輸出數字量電源有無的控制，來實現現場緊急切斷閥的開關，保證生產和設備的安全運行，所以SIS 系統控制的各種現場緊急閥門的電磁閥從SIS 機柜直拉電纜。為確保電纜的易查易改，通過與設計、業主協商，在機柜間進口處沿機柜基礎單獨敷設電磁閥控制電纜橋架，獨立于其他電纜的同時也降低了對計算機電纜的信號干擾。

（3）由于現場SIS 系統機柜到貨晚，為保證工期，先進行其配套電纜的敷設工作，并根據電纜表進行電纜頭的制作。待SIS 系統機柜安裝就位后，接線工作立刻展開，為后續的調試工作爭取了至少15d 的時間。同時在施工后期大干時，可以集中人力進行現場儀表回裝及調試，確保了項目的順利中交。

5 結語

TDI 主裝置實際建設工期比合同工期縮短160d，施工期間未發生重大安全、質量事故，比同規模其他裝置節省800 萬元成本。TDI 裝置交工后一次投產成功，產品質量優良，獲得業主的高度認可，為TDI 及相關領域工程建設施工提供了有力的技術支撐。采用30 萬t/ a 光氣合成法TDI 裝置成套施工技術，對項目整體施工效率和施工質量的控制起到了極大的促進作用，能夠為項目的施工安全及裝置的開車生產提供技術支撐，具有良好的經濟及社會效益。