聚烯烴串管反應器運輸吊裝的組裝技術

陳孫藝

(茂名重力石化裝備股份公司,廣東茂名 525024)

0 引言

聚烯烴串管反應器又稱環管反應器,是多條細長夾套直管和180°回彎頭串聯,夾套直管之間通過連接梁支撐組裝成框架或桁架的立式管柱鋼結構形夾套容器,該反應器同時具有反應和換熱功能,如圖1所示。文獻[1]基于其制造質量,綜述了聚烯烴串管反應器的模塊式組裝技術;文獻[2]中介紹了串管反應器拼接、吊裝的施工方法、技術措施及安全措施;文獻[3]中介紹了串管反應器框架、風載的確定及計算、荷載的確定及組合、結構設計計算方法等事項,這些方法及相關參數的選取對工地現場的吊裝和安裝方案的設計計算也具有參考價值。但是這些文獻都沒有考慮串管反應器的運輸過程對模塊結構的限制,也沒有詳細介紹串管反應器在工地吊裝對模塊結構的要求。文獻[4-5]的文題名義上是大型壓力容器的現場組裝,實際上是組焊,其關于沒有條件在工廠內組裝焊接的超重、超寬、超長的大型容器產品轉移到工地現場去組裝焊接制造的技術內容,在概念上完全不是在工廠內全部組焊好的大型串管反應器而在現場不需要再焊接的組裝技術。目前,純粹以大型壓力容器現場組裝為主題內容的資料尚未見公開報道。

圖1 串管反應器吊裝現場Fig.1 Hoisting site of tandem reactor

近20多年來,在串管反應器模塊的現場安裝中,有項目因為現場安裝技術方案不當而耗費工期長達2個月。從各種問題的總結中認識到,大型反應器長距離運輸對其組裝的要求與現場吊裝對其組裝的要求是兩方面工作,而且兩方面關系密切。吊裝對組裝的一些要求最好在運輸裝車時就能得到落實,可以說吊裝對組裝的要求對運輸組裝具有一定的指引作用,在符合交通規范的前提下,運輸裝車方案應盡量滿足現場吊裝的要求,為吊裝質量和效率提供良好的基礎。因此,業務相聯的單位就串管反應器零部件的組裝、運輸和吊裝施工應加強研究,協定交到現場的模塊結構形式,對反應器的順利安裝很有意義。

1 基于運輸安全的組裝技術

串管反應器結構與常見的塔式反應器有著諸多不同,結構長徑比較高而極易產生柔性撓曲,螺栓緊固件連接多而容易產生裝配的累加誤差或強力裝配,還具有多波形膨脹節這一薄弱部位,存在于整體組對和吊裝環節的一些技術難度,在運輸環節會以其他的形式表現出來?；谶\輸的組裝技術以安全為主要目的,具有過程的動態性和一定的難以預測性,又帶有臨時性,需要專業性強的公司執行。

1.1 陸路運輸的臨時組裝

1.1.1 單條夾套直管裝運

長距離運輸常裝運單條夾套直管,如圖2所示。在細長夾套直管裝車、卸車、轉移、組裝等過程中,使整條夾套直管保持平直狀態的安全操作更加困難,位于夾套直管兩相鄰運輸支座的間距中間的彎曲位移往往是最大的,對設置于其中的膨脹節損傷也大,而位于夾套直管兩端的彎曲位移一般都是最小的,因此要關注膨脹節的保護。

圖2 單條夾套直管裝運現場Fig.2 Shipment site of single jacket straight tube

懸臂的許可長度應該經過力學計算校核確定,其中涉及路況、車速、結構尺寸及自重等因素。單條夾套直管裝運時,夾套直管全長被運輸鞍座分為支承段和懸臂段兩大部分,如果不考慮受力模型中支承段對懸臂段的影響,把端部的運輸鞍座和捆綁件對夾套直管的作用視作固支,則固支的懸臂段模型較為符合裝車實際,而且計算結果將略偏保守。懸臂段的自重靜載荷受力模型如圖3所示,結構強度可按均布載荷下受約束懸臂梁分析,關鍵技術有如下5點。

圖3 懸臂段靜載荷受力分析Fig.3 Force analysis of static load of cantilever section

(1)在計算夾套直管的抗彎剛度或抗彎截面系數時,其組合結構橫截面對中性軸的慣性矩可參考GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分:通用要求》中復合鋼板許用應力的計算方法,以及文獻[6]中關于薄壁內襯復合管殼泊松比和加權平均密度的確定方法,并結合工程經驗按下式進行計算:

(1)

式中,I為夾套內管和外管的組合慣性矩;?為夾套結構緊密系數,基于夾套內墊塊結構形狀、分布狀況、組焊形式、尺寸和裝配間隙等因素和工程經驗來確定,通常不超過0.9;Ii為夾套內管的慣性矩;Io為夾套外管的慣性矩;δi為夾套內管的壁厚;δo為夾套外管的壁厚。

(2)裝車時充分利用夾套外管上的支梁座作為支承點,使受力模型符合自重引起的均布載荷q=mg/L的特征。自重產生的最大彎矩作用在固支點處截面上,計算式為:

(2)

(3)以外管上的支梁座作為裝車的支承點時,將除考慮夾套直管懸臂段沿長度L均布自重的靜力作用外,還考慮運輸中動態荷載的影響,受力模型如圖4所示。

圖4 懸臂段動態荷載受力分析Fig.4 Force analysis of dynamic load of cantilever section

動態荷載分為一般和特殊兩種情況。一般情況下按簡化模型(見圖4(a)),考慮懸臂段自重m及其偶遇路面凹坑時垂直加速度在質心位置0.5L處所引起的垂直載荷F的作用,垂直加速度最大值取自由落體加速度g時的計算式為:

F=mg

(3)

產生的力矩:

(4)

也可以按細分模型(見圖4(b)),考慮離根部支點距離為xi處1個長度單位的懸臂段自重mg/L,偶遇路面凹坑時垂直加速度引起的垂直載荷Fi產生的力矩:

(5)

式(5)和式(4)的結果一致,說明細分模型與簡化模型(見圖4)等效。雖然式(5)和式(4)的結果也和式(2)的結果一致,但是并不能說明圖4模型與圖3模型是等效的,因模型的性質不同,圖4模型是偶然出現的,圖3模型是必然存在的。

動態荷載在特殊情況下則考慮設備懸臂段較長時間在凹凸不平路面運行時顛簸疲勞的影響,可引入載荷譜進行分析,這種情況尚無先例。兩種動態荷載的影響都可以采用有限元模型進行更深入地分析,且通過控制該運輸過程為低速行駛而可降低上述計算式中垂直加速度的取值,降低了懸臂段承受的力矩,從而使不良影響得到緩解。

(4)以另外設計制造的運輸鞍座代替外管上的支梁座作為裝車的支承點時,支梁座成為模型中的一個集中載荷,模型載荷除考慮夾套直管懸臂段沿長度L均布自重的靜力作用外,還應考慮支梁座這個集中載荷,在基于細分模型(見圖4(b))計算彎矩時,式(5)中最后一個等號的右邊將由不只一項組成,懸臂段全長的均布載荷中間將加上一個集中載荷,兩種載荷分別按各自在模型上所分布的位置計算。

(5)夾套直管下部的剛性環安裝支座尺寸龐大而且其較大的自重容易成為集中載荷,通常將這一段放置在車板上,車板支承安裝支座。因此帶多波形膨脹節的頂段就成為懸臂端,膨脹節與安裝拉桿的環板之間要全焊透,需要鎖緊所有防護拉桿的內外定位螺母。防護拉杠的結構性能和強度也應經過計算校核,且滿足運輸過程的防護要求。

1.1.2 懸臂裝運的加強技術

式(4)或式(5)的彎矩產生的最大應力也位于固支處截面上,與式(2)彎矩產生的應力相加即是固支處截面的最大組合應力。在這些公式中,懸臂段長度L對彎矩及其應力的直接影響是線性正比例的,通過移動運輸鞍座的位置或增加運輸鞍座的數量來調整懸臂段長度L,即可控制最大組合應力不超過結構材料的許用應力,確保組裝方案的結構強度足夠。當計算校核初步組裝方案的結構強度不足時,一般不采用結構加強的對策,以免增加型材的消耗。

懸臂裝運的另一項加強技術是雙夾套直管組合裝運。圖5示出通過支梁座臨時把兩條夾套直管連接到一起,組成抗彎防振的新結構,取得類似于一雙筷子不易折斷的效果。一車裝運兩條夾套直管的方案通常在短距離運輸中使用。

圖5 2條夾套直管裝運現場Fig.5 Shipment site of two jacket straight tubes

1.1.3 分段裝運

圖6、圖7所示的分兩段制造再連接起來的方案是專門為了便于運輸而設的,應在預組裝檢測合格后的分段接口標記上對中符號,以便異地重新組裝時作為基準。

圖6 分段對焊組裝Fig.6 Sectional buttwelding assembly

圖7 分段法蘭組裝Fig.7 Sectional flange assembly

1.2 陸路運輸的永久組裝

(1)用于安裝的局部模塊的組裝。

圖8所示為U形片狀模塊式裝運方案,因為一次運輸多個零部件而提高運輸效率,還省去了內管連接彎頭、夾套連通管的拆卸和重新裝配,從而提高工程效率,也避免在現場重新組裝時對質量的不良影響,但模塊外形尺寸較大,受限于交通管制,不宜長距離運輸。

圖8 U形片狀模塊裝運現場Fig.8 Shipment site of U-shaped sheet module

(2)用于安裝的整體裝運。

圖9所示的4條或6條夾套直管立體大模塊式裝運效率最高,省去大量的零部件拆卸、包裝和再裝配工作,完好地保持在制造廠組裝的質量,但是需要保證沿途安全運輸的可行性,實現預期的工程效率。

圖9 反應器整體組裝運輸Fig.9 Overall assembly and transportation of reactor

2 基于吊裝施工的高效組裝技術

文獻[7]中分析的風筒類設備具有直徑小、管壁薄、管筒長、易變形等特點,與串管反應器的一根夾套直管在結構上是較為相似的,其吊裝難度及技術值得借鑒。但是基于安裝施工的組裝技術更注重安裝質量的可靠性和高效性,與吊裝的反應器模塊結構、技術裝備、工地環境及施工技術等因素有關,串管反應器的吊裝從來不采用逐條夾套直管吊裝的方案,而是采用模塊吊裝的方案,大體上分為局部模塊組裝和整體組裝兩種。

2.1 現場U形片狀模塊的吊裝及其對組裝的影響

(1)片狀模塊的組裝。

文獻[8]中針對某20萬t/a串管反應器的結構特點,對單條夾套直管吊裝、2條夾套直管組裝成U形片狀模塊吊裝,以及4條夾套直管組裝成三維結構吊裝等3種吊裝方案進行比較分析,指出各方案的優缺點,確定采用2條夾套直管組裝成圖10所示U形片狀模塊吊裝方法吊裝2臺反應器。類似的吊裝現場如圖11(a)所示,由圖中可見第1件模塊上、下兩側面的支梁座等附件結構的伸出長度略有區別。最后一片模塊吊裝后如圖11(b)所示,由圖中可見后面一件模塊的吊索可能會受到前面一件模塊的阻礙,因此組焊到模塊上的主吊耳和尾吊耳在方位上有明確規定,要避免組裝錯誤。

圖11 U形片狀模塊吊裝現場及受力分析Fig.11 Hoisting site and force analysis of U-shaped sheet module

(2)片狀模塊吊裝效率的提高。

一方面優化吊點。在石油化工裝置中,設備吊裝一般常將主吊耳、尾吊耳分別設置在設備的首、尾兩端,細長設備吊裝時容易產生較大的撓度和變形,文獻[9]則在串管反應器U形片狀模塊的上部設置4個吊點,可以大大減少設備因自重引起的撓度變形,設備不易發生偏斜,確保了吊裝質量和吊裝效率。這一方法在大型串管反應器得到廣泛應用,取代了圖11(a)所示的上部只設置2個吊點法。

另一方面優化吊具。文獻[10]中介紹了蘭州石化60萬t/a乙烯技術改造工程中30萬t/a聚丙烯裝置串管反應器的吊裝及吊裝過程中因中外標準的差異產生的問題及其處理情況。由于設備制造方意大利Tecnimont公司是按照國際施工規范結合歐洲標準對設備的吊裝提出要求,吊裝用的設備(吊耳及平衡梁)的設計也按照上述標準進行,而國內的吊裝機具與制造商提供的設備(吊耳及平衡梁)存在不能配套使用的問題,國內安裝單位提出的吊裝技術方案在2臺反應器吊裝中所用工期為12天,此前采用2條夾套直管組裝的U形片狀模塊吊裝方法吊裝2臺反應器,所用工時曾達約25天。

(3)片狀模塊吊裝的局限。

分析串管反應器傳統的吊裝施工,其技術改進重點不在模塊的組裝上,存在幾個問題:①主體吊裝方案大同小異,沒有從施工方法的改變及技術本質的升級上達到提高效率和效益的目的,反應器整體結構客觀上存在的精度偏差隨著零部件及其組裝工序呈分散性,難以集中在某一結構位置及某一工序一次性處理,分散的偏差會被累積到最后,成為安裝時難以處理的問題;②相同的吊裝方案或相同的施工企業、施工技術及裝備,也可能會出現不同的吊裝、組裝偏差;③不同吊裝方案或不同施工企業因施工技術及裝備的差異,導致具體方案中吊具和吊耳結構功能的差異,不同項目在關聯吊耳結構、質量及安全標準方面不統一,組焊在頂部的多個大吊耳的質量通常難以在整體結構模態分析及應力分析設計中準確考慮,需要依據吊裝組裝經驗預先假設確定;④串管反應器有別于其他大直徑殼體反應器的一個特點,就是其建造過程多個環節存在預組裝工序,現場組裝技術方案主要基于工地施工條件編制而成,沒有把前面的設備設計、制造、預組裝檢測及運輸等過程對安裝相關技術的交互影響關聯到一起,難以起到前后環節互補的作用。

石油化工設備安裝過程中的吊裝是一項極為重要的技術。歐美很多國家對于大型化設備基本采用的是整體吊裝,將所有的塔內附件均在地面安裝完成后進行整體吊裝,而我國大型化、特種化石油化工設備的重量越來越大,高度也越來越高,安裝的難度也隨之加大,十幾年前大多采用的是分段吊裝,造成了一系列問題的產生[11]。因此,串管反應器傳統的模塊吊裝過程組裝的方案需要在實踐中不斷向整體組裝后吊裝的技術方向探索,引領組裝技術的發展,才能在國際市場上具有競爭力。

2.2 現場整體三維立體結構吊裝

(1)整體吊裝的條件。

首先是現場具有相應的吊裝能力,主要包括主吊機械和副吊機械,廣義上則包括吊梁、吊耳及索具等配套能力。其次是現場有足夠的作業空間,安全的作業空間由串管反應器整體及其加強結構的外形尺寸,以及吊裝機具的運轉空間需求共同確定。在原有裝置周邊新建、擴建、續建或是改建新的裝置時,施工現場的吊裝空間是有限的。再次是經驗豐富的吊裝技術隊伍,包括相應技術素質工程技術人員、指揮吊裝人員及操作工人等。最后是可靠的吊裝技術方案,串管反應器整體防吊裝變形控制可通過吊裝過程仿真分析及局部薄弱結構的加強等對策來實現,優化的方案通常來自多種吊裝方案的比較和反復修訂。在結構自重和吊裝過程外來載荷動態組合作用下,各夾套直管之間通過復雜的主體結構和輔助結構交互牽連,必須通過有限元數值分析技術才能進行整體吊裝方案的設計校核。

(2)早期對整體吊裝的分析。

文獻[8]中指出4條夾套直管組裝成三維立體結構吊裝的方案存在4個缺點:①吊裝重量大,狹窄的施工現場很難滿足吊裝要求;②在地面組裝時會占用較大的施工場地,在地面上臥式組裝為“口”字型結構施工難度也較大;③夾套直管之間所有H型鋼連接梁上的螺栓都是安裝螺栓,設計要求吊裝就位前不允許焊接固定連接梁,兩鉛垂面內的所有連接梁均為平行桿結構,吊裝時上下兩個平面會產生錯動,形成平行四邊形結構,從而不利于反應器的吊裝與就位;④兩個頂部180°回彎頭無法隨筒體一起吊裝,需另外設置吊點、吊具,從而增加了施工成本。

(3)接近整體吊裝的主體吊裝實踐。

文獻[12]中對串管反應器現場整體組裝后的吊裝方案進行了分析,并在中國石化海南煉化公司20萬t/a聚丙烯串管反應器的吊裝中,把4根管徑609 mm、長39 000 mm的夾套直管在現場臥式組裝成外形尺寸為4 800 mm×4 800 mm×39 000 mm的主體。為了保證整體的組裝精度,臥式組裝中也裝配了3件180°的回彎頭,然后拆卸下彎頭,利用安裝在夾套直管頂部法蘭上的盲板蓋附帶的板式吊耳,成功地吊裝了只有夾套直管的反應器主體,最后再3次吊裝主體頂部的回彎頭。這一實踐由于整體結構不完整,以及現場需要對3件大彎頭進行組裝、拆卸再組裝,離一次性整體吊裝反應器尚有差距。

(4)整體吊裝的技術進步及應用。

文獻[13]根據串管反應器需要現場組裝后再吊裝安裝的工程實際,指出組裝工藝視吊裝方案的不同也各有差異,一般采用整體組裝和分片組裝兩種吊裝工藝。由此表明整體吊裝的可行性,兩種吊裝方案都得到了業內認可。鑒于文獻[12]只針對反應器主體吊裝,未能對反應器整體進行一次性吊裝的不足,實踐表明串管反應器最佳的吊裝技術是一次性整體吊裝技術,該技術關鍵應在反應器結構設計和強度校核時就作為必須考慮的因素,為無損安裝鋪墊好技術基礎,當反應器設計技術文件中沒有關于設備吊裝和安裝方面的規定時,現場的吊裝和安裝方案也應經過反應器設計方的會審。

整體組裝運至現場的建造形式具有明顯的優點:確保反應器在現場安裝的尺寸精度更高,明顯縮小現場組裝夾套直管所需要的場地面積及其他場地條件,減少現場組裝夾套直管的環節,提高運輸效率和現場施工效率,整體結構剛度和強度的抗損傷能力強,最大程度保持反應器的結構完整性,是該反應器建造技術發展中應有的創新舉措,代表國際先進技術的發展趨勢。為此需要采取一系列技術對策:確保螺栓連接節點強度,增強防止結構錯動的定位,加強吊裝過程動態監測。2022年,國內先后兩次分別起吊由4條和6條夾套直管組裝的串管反應器整體(見圖12),均一次性吊裝成功,安裝過程順利,只需1天工期。這兩次實踐表明了串管反應器在制造廠整體組裝后再整體短距離運輸并整體吊裝的可行性,這一工程建設新形式在國內還是領先的。

(5)整體吊裝的技術創新。

2023年1月,天津石化50萬噸INEOS工藝HDPE環管反應器整體模塊化設計制造運輸吊裝方案評審會在茂名召開,來自業主、工程建設公司、重型起重運輸公司、施工建設公司和設備制造廠的專家學者對方案進行了認真細致的論證和評審。這是世界上HDPE環管反應器整體模塊化設計制造、運輸吊裝的最新技術,也是整體模塊化建造的最大的一套環管反應器,于當年順利實施,標志著國內烯烴裝置環管反應器的設計制造、運輸安裝模式的又一個里程碑。

3 附件的設計及組裝

從作業的主線及重要性來看,吊具的設計制造及附件的安裝雖然不是組裝技術的主要內容,也對反應器組裝的安全和效率有明顯的影響。反應器分片組裝后進行安裝的吊耳結構禁忌選用圖13所示的軸式吊耳,其結構復雜、強度過剩、焊接容易導致夾套主體的變形,難以修復,結構又引起夾套原結構形狀的顯著突變,尤其是在每一條夾套直管的頂部增加了不容忽略的集中質量,地震載荷作用時該集中質量增大了頂部的橫向慣性,在反應器自重作用中增加了彎矩。反應器設計中如果沒有考慮諸多吊耳的集中質量,所做的模態分析將偏離實際,其結果失去可靠性,危險工況下反應器的安全性難以判斷,總的判斷這種吊耳值得商榷的因素較多。

圖13 軸式吊耳Fig.13 Axle lug

對此,設計分析中應預計適當的吊耳重量,吊裝專業應優化設計吊耳。文獻[13]中以某工程20萬t/a 聚丙烯裝置第一/第二串管反應器吊裝用的吊耳及平衡梁的設計選型為例,論證吊耳的設計和平衡梁的選用,建議吊耳結構選用捆綁式和焊接板式兩種形式,其中捆綁式吊耳不需要再在反應器本體上焊接其他輔助性設施,吊裝準備工作量較少,是較為適當考慮的吊耳結構。具體的捆綁式吊耳最好是可拆式組裝結構[14],組裝時通過螺栓連接,螺栓連接的不是吊耳和反應器之間的結構,而是吊耳本身的組合結構,螺栓主要起組合吊耳的組合和定位作用,但螺栓不直接承受反應器自重,可拆吊耳在拆卸后應檢測確認無損傷,妥善保管、反復使用。板式吊耳可選用HG/T 21574—94《設備吊耳》中的TP型,除吊耳板材質、焊接位置及要求、強度計算校核外,還要結合平衡梁的設計選型、索具的規格型號及長度等綜合考慮。

4 結語

串管反應器是一種特殊結構的反應器,據粗略統計,國產化串管反應器已達200臺(套),而且出口國外多個國家,在國際市場上已具有相當強的競爭力。反應器通過模塊化預制是為了便于運輸和現場安裝,無論是預組裝還是現場安裝,質量技術的進步,都或多或少包含設備工程管理和設備技術創新兩方面。

串管反應器的組裝與吊裝雖然都屬于安裝的部分內容,但是一方面兩者的概念是有區別的,組裝既有在地面的模塊式組裝,也有模塊在高空中構成整體的組裝;另一方面,兩者的施工內容是交互影響的,局部組裝或整體組裝都是吊裝的前提,而局部組裝好的模塊逐一吊裝到框架上后也是進一步組裝成整體的條件。原來在現場對反應器進行組裝的施工內容已經可以前移到制造廠完成,現場的施工內容主要是一次性整體吊裝,這一技術進步是不斷地通過漸進的小步跨越來實現的,是衡量該反應器建造水平的重要標志。

這一技術進步的實踐中既有工程技術管理對技術創新的引領,也有技術創新對工程管理的促進,行業內關聯企業的通力合作、聯創聯用是提高安裝質量的必要手段,也是一次性順利安裝的重要保證,是業內多方通過總結經驗、開拓實踐來共同豐富的。

這一技術進步的內容已成為關聯到設備采購、設計、制造、組裝、轉運及吊裝等環節的一體化過程,運輸中的轉運環節難度明顯提高了,需要項目初始就預定最后的組裝目標及其實現方式,以吊裝環節的技術進步引領前面各環節的技術進步。

這一技術進步的應用帶有條件適應屬性,涉及到場地環境、起重機具、吊裝方案及工程管理等因素,其中項目業績和工程經驗十分關鍵,成為與專利許可技術、標準規范同等重要的內容。