焦炭塔保溫超溫原因和安裝施工技術分析

張 塞

(中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司,北京 102500)

某石化企業有焦炭塔兩臺(C2101/2),為裝置的關鍵設備,規格為φ8 800 mm×38 764 mm,容積1 907 m3,總質量2 647 267 kg,操作介質為渣油、油氣、焦炭、冷焦水。焦炭塔外部保溫采用整體披掛背帶式。該塔工藝條件苛刻,操作工況復雜,溫度從環境溫度升至495 ℃再降到常溫,變化范圍大且頻繁。經計算,焦炭塔內溫度達到495 ℃時,縱向膨脹量為150～200 mm,橫向膨脹量為53～60 mm。焦炭塔的生產工藝對其保溫的要求比較高,而焦炭塔本體經過熱處理后,塔體本身不能再進行任何焊接操作。因此,其保溫安裝施工技術對施工質量的影響十分顯著,直接決定著焦炭塔的保溫效果和熱能耗損失,甚至影響其使用壽命。

1 焦炭塔保溫

1.1 披掛式保溫

焦炭塔保溫采用披掛式保溫技術,塔體無保溫釘、無任何焊接點。披掛式保溫結構包括內背帶、保溫層、補強層、整形層、防水層、外背帶和外觀層。其中,內背帶由鋼圈、縱向鋼帶、支撐圈、保溫釘和卡簧等組成,外背帶由鋼圈、縱向鋼帶、橫向圍帶、拉簧、固定鉤和保溫支撐板組成。內、外背帶承受保溫層及其附件的全部總重,與塔體分離,不直接在塔體上施焊任何附件,完全滿足焦炭塔軸向、徑向熱脹冷縮要求。保溫層、補強層、整形層和防水層在內、外背帶之間,最外層為外觀層【1-2】,如圖1所示。

圖1 焦炭塔保溫結構示意

1.2 保溫超溫

2020年初發現焦炭塔(C2101/2)保溫存在整體下沉、開裂等現象,同時經過現場紅外掃描檢測發現普遍存在超溫現象,如圖2(a)～圖2(b)所示。每個平臺上東西南北四個方位的紅外測溫結果如表1所示。

表1 焦炭塔保溫紅外測溫數據

圖2 焦炭塔保溫紅外掃描和保溫下沉

按照GB/T 8174—2008《設備及管道絕熱效果的測試和評價》的規定,保溫層表面溫度不得大于環境溫度+25 ℃,取環境溫度27 ℃,即保溫層溫度不得超過25 ℃+27 ℃=53 ℃。經過現場實際測量,保溫層溫度普遍高于53 ℃,因此按照標準應對該焦炭塔保溫進行更換【3】。

1.3 超溫原因分析

經現場檢查、紅外掃描和查閱資料分析認為,焦炭塔C2101/2保溫普遍超溫現象主要有以下原因:

1) 從現場檢查情況來看,外觀層鋁合金瓦楞板在焦炭塔8層、7層、5層、4層的保溫層普遍存在連接失效問題,導致雨水滲入,長時間滲水使得防水層逐漸失效,保溫層硅酸鋁纖維保溫毯和憎水型復合硅酸鹽板不斷吸水,再經過生焦期間塔體500 ℃高溫烘烤,導致鋁保溫材料內部鎂質變質,粉化失效【4-5】。

2) 從紅外掃描結果來看,表面超溫部位呈環狀分布。該塔保溫自2006年安裝,已使用14年,鑒于披掛式保溫結構的特點,以及焦炭塔在長期運行期間存在的塔體振動和變形、周期性的膨脹和收縮等現象,導致內部雙層硅酸鹽保溫材料整體下沉,保溫效果變得相對較差。

由此可見,外觀層的連接失效、保溫層內部材質變質、保溫層材料整體下沉是導致焦炭塔保溫普遍存在超溫現象的原因。

2 披掛式保溫拆除

2021裝置大檢修期間,將焦炭塔(C2101/2)保溫整體進行拆卸,塔外面搭拆滿堂紅腳手架,由外至內逐步進行拆卸,如圖3所示。

圖3 焦炭塔保溫拆卸

3 焦炭塔保溫安裝

3.1 保溫內支撐的安裝

將預制好的保溫內支撐根據現場情況進行組裝。首先將28根內背帶沿塔頂順下至塔底裙座,塔頂用2套φ40 mm鋼圈把28根內背帶連接扣緊;28根背帶等分后焊接,搭接長度為30 mm以上。支撐圈沿縱向均勻分布,間距為2 450 mm,緊靠塔壁。支撐圈之間用卡簧連接,使整個內保溫支撐連為一體,每層支撐圈用不銹鋼帶束緊。內保溫支撐每間隔500 mm交叉焊接“u”形保溫釘和“異形”保溫釘。保溫釘采用三點式焊接在內背帶上,錐體內保溫支撐焊接在裙座內的熱腔板和錐體底下的保溫支撐板上,緊貼錐體外壁,背帶上每間隔500 mm交叉焊接“u”形和“異形”組合保溫釘【6】。保溫內支撐安裝見圖4。

圖4 保溫內支撐安裝示意

3.2 保溫層的安裝

保溫層采用硅酸鋁纖維保溫毯和憎水型復合硅酸鹽板,總厚度150 mm,包括1層厚度為50 mm 的耐火纖維針刺毯和2層厚度為50 mm的憎水性復合硅酸鹽板材。每層之間用高溫粘合劑粘貼,第一層為橫板,第二層為豎板,第三層為豎板,同層錯縫,上下層壓縫,各層應均勻連續,層間不得有缺角現象。保溫層對接縫隙應進行嚴縫處理,采用同一種材料填縫。保溫材料緊貼焦炭塔本體,每層保溫材料應用鍍鋅鐵絲捆扎2道。保溫層的安裝見圖5(a)。

圖5 保溫層、補強層和整型層的安裝示意

3.3 補強層的安裝

補強層采用不銹鋼龜甲網裹緊保溫材料,每間隔1 000 mm從下至上均勻捆扎不銹鋼束緊帶1道,并打好包扣。每間隔500 mm均勻捆扎鍍鋅鐵絲1道。不銹鋼龜甲網接口搭接處尺寸為30～50 mm,并用鋼筋鉤擰緊。補強層的安裝見圖5(b)。

3.4 整型層的安裝

整型層采用硅酸鹽涂料,依附補強層增加附著掛靠力。涂料應涂抹均勻,以保證圓弧度和光滑度。整型層可以使保溫層和補強層施工完成后的保溫縫隙填滿,進一步增強保溫效果。整型層的安裝見圖5(c)。

3.5 防水層的施工

防水層采用高分子防水涂料,可有效降低雨水對焦炭塔保溫的侵蝕。施工過程先纏繞玻璃絲布2道,然后再均勻噴涂高分子防水涂料。玻璃絲布上、下搭接100 mm。封頭部分的玻璃絲布從上向下粘接,并與筒體玻璃絲布搭接100 mm。高分子防水涂料噴涂晾干后,若噴涂防水效果不理想,可再進行1遍噴涂,直至達到理想的防水效果為止。防水層示意見圖6。

圖6 防水層示意

3.6 保溫外支撐的安裝

將預制好的保溫外支撐及構件進行組裝,其32根縱向背帶上端與φ36 mm鋼圈相連;鋼圈掛在塔口上,下端用拉簧與安裝在保溫支撐板上的固定鉤相連,確保保溫整體結構跟隨塔體膨脹冷縮。水平圍帶每間隔2 950 mm圍1道,從切點以下均勻分布?？v向背帶搭接長度為30 mm以上?？v向背帶、水平圍帶連緊焊接,焊肉要飽滿。水平圍帶束緊后再焊接,不允許中間有空隙【7】。保溫外支撐層安裝示意見圖7。

圖7 保溫外支撐層安裝示意

3.7 外觀層的安裝

外觀層采用鋁合金瓦楞板和鋁合金平板制作。自裙座第一道外圍帶開始,由下向上安裝鋁合金瓦楞板。鋁合金瓦楞板與水平圍帶用鉆尾自鉆螺栓連接,瓦楞板之間用抽芯鋁鉚釘連接,板上下搭接50 mm。瓦楞板應緊貼外背帶,用不銹鋼帶束緊。因焦炭塔本身有熱脹冷縮現象,所以鋁合金瓦楞板應加長200 mm以上。錐體自下而上前2 000 mm用不銹鋼薄板連接,2 000 mm以上部位用鋁合金平板連接。不銹鋼束緊帶自下而上間隔1 250 mm設置1道,全部設置完成后束緊。抽芯鋁鉚釘間距150～200 mm。外觀層安裝見圖8。

圖8 外觀層安裝

4 載荷計算

4.1 內背帶載荷計算

內背帶材質為Q235B,材料屈服強度為235 MPa,許用剪切應力強度σmin=0.6×235 MPa=141 MPa,φ40 mm鋼圈的剪切面積A=1 256 mm2。

剪應力計算公式見式(1)。

(1)

由式(1)可得:

Fmin=177 096 N

Fmin=Mming

(2)

式中:Fmin——內背帶承受最小力,N;

Mmin——內背帶承受最小載荷,kg;

g——重力加速度,取9.8 N/kg。

由式(2)可得:

Mmin=18 071 kg

即單個內背帶項圈至少能夠承受18 071 kg載荷。由此可知,2個內背帶項圈至少能夠承受36 142 kg載荷。

內披掛質量m1為7 000 kg,硅酸鋁纖維保溫毯質量m2=58 m3×115 kg/m3=6 670 kg,憎水型復合硅酸鹽板質量m3=125 m3×60 kg/m3=7 500 kg。

所以

m1+m2+m3<2Mmin

(3)

即內背帶載荷滿足要求。

4.2 外背帶載荷計算

外背帶材質為Q235B,材料屈服強度為235 MPa,許用剪切應力強度σmin=0.6×235 MPa=141 MPa,φ36 mm鋼圈的剪切面積A=1 018 mm2。

由式(1)和式(2)可得:

Fmin外=143 538 N,Mmin外=14 646 kg

即單個外背帶項圈至少能夠承受14 646 kg載荷。

外背帶總質量m4為4 000 kg,瓦楞板、鋁合金平板總質量m5為4 000 kg。

所以

m4+m5

(4)

即外背帶載荷滿足要求。

5 結語

焦炭塔保溫更換后,經過現場實際測量,其外保溫防護鋁皮各處溫度普遍低于40 ℃,滿足標準要求。

隨著工業化水平的快速發展,焦炭塔披掛式保溫的施工技術也得到不斷的改進和完善,不斷學習披掛式保溫的安裝施工的新技術和成功經驗,可進一步提升焦炭塔保溫施工質量。本文所述施工方案解決了焦炭塔保溫局部超溫等問題,對裝置的降本增效及節能起到了一定的作用【8】。