大型空分装置冷箱模块化拆除施工技术

李俊峰，张小红，刘国超，岳伟伟，杨　林上海十三冶建设有限公司，上海　201999



大型空分装置冷箱模块化拆除施工技术

李俊峰，张小红，刘国超，岳伟伟，杨林
上海十三冶建设有限公司，上海201999

摘要：随着国家法律法规对环保和能耗的要求日益严格，大型石化、化工、钢铁工厂及其配套空分装置的改造、搬迁工程项目越来越多。针对宝钢罗泾两套6万Nm3/h空分装置的保护性拆除并迁建湛江工程中，高空作业多、工期紧、场地狭小的特点，通过设计、分析与验算，实现了大型空分装置冷箱的模块化拆除和运输，使冷箱结构、冷箱内管道、塔器均采用模块化拆除，冷箱结构模块化拆除后在地面再解体为运输模块，同时，冷箱内管道的拆除和冷箱结构的切割、冷箱结构模块的地面解体和塔器的拆除均可以平行施工。

关键词：空分装置；冷箱；模块化；保护性拆除

空分工程广泛应用于化工、钢铁、高效燃烧和污染物治理等行业和领域，随着煤化工等产业的兴起，以及空分技术及空分设备的发展，单套空分装置的规模愈来愈趋近于大型化［1］。近年来，国家对环保和能耗的要求日益严格，大型化工、钢铁工厂搬离大城市以及逐步向低能耗、低污染发展已成为一种趋势，这些大型化工、钢铁工厂配套空分装置的改造、搬迁工程项目越来越多［2］。但是，目前国内并没有关于大型空分装置尤其是空分冷箱保护性拆除的系统研究和报道，冷箱的拆除通常也是根据其安装技术进行逆操作。如冷箱结构通常是根据其确定的拆除尺寸自顶部分片解体拆除，但这种拆除方法耗时较长，高处作业较多、对安全措施要求很高，且在高空拆除单轴面冷箱钢结构箱体时，其他轴面的冷箱结构受风荷载影响容易发生变形，需采取临时加固措施，不仅增加了成本，拆除临时加固结构、脚手架时也有较大的安全隐患，必须开发一种安全可靠、成本较低、工期合理的冷箱拆除方法。

模块化施工是一种先进的施工理念，是指在模块化设计中的其他专业的工厂化的准备和制作，将专业厂家生产的工程组件或者现场制作的模块运至现场进行组装，其流程中多数过程是同步进行的，因而可提高工程施工效率。目前，模块化施工已在大型石化装置、大型钢结构场馆、工业装置钢结构框架等施工上有成功的应用［3- 6］，但在拆除工程中尚未有相关报道。

通过研究模块化施工的特点和要求，结合宝钢罗泾两套6万Nm3/h（O2）空分装置的特点，将模块化施工的理念运用到冷箱的拆除和安装中。即在拆除过程中，将冷箱钢结构分为若干模块，这些模块整体拆除吊装，在地面进行解体，使冷箱结构拆除和精馏塔器拆除可以平行作业，缩短了项目的施工时间，且大部分拆除工作可在地面完成，无需进行临时加固，作业的安全性大大增加，施工成本也有所降低，有效地提高了施工效率。

1　工程概况

宝钢广东湛江钢铁基地项目制氧工程包括上海罗泾制氧分厂（原浦钢制氧，以下简称“罗泾基地”）空分装置的拆除和运至湛江钢铁基地（以下简称“湛江基地”）的安装。根据宝钢湛江钢铁有限公司的规划，拟将罗泾基地两套6万Nm3/h的空分装置保护性拆除，并搬迁至湛江基地，对应湛江1#、2#空分装置。单套6万Nm3/h空分冷箱由冷箱结构和冷箱内管道、精馏塔器组成。其中，冷箱结构外框架为钢结构框架，外墙面采用钢板面板封闭，外形平面尺寸为13.0 m×8.8 m，标高约+ 62.13 m，主冷箱结构按立柱连接形式可分为6层（见图1），钢结构总质量约400 t（含所有立柱、横梁、斜撑、加强筋、面板）；冷箱内塔器包括主塔和氩塔，均分为上下两段。

本工程为国内首次保护性拆除、迁建6万Nm3/h等级规模的空分装置，可借鉴的工程经验较少。冷箱结构、冷箱内管道、塔器等均需利旧，对保护性拆除要求较高。冷箱内空间较小，冷箱结构、冷箱内管道、塔器的拆除会有交叉作业，安全风险较高。

2　冷箱拆除模块的确定

根据冷箱结构、塔器图纸，结合运输条件、安装要求，以及罗泾基地、湛江基地的平面布置情况，综合确定冷箱结构、冷箱内管道、塔器的最优拆除模块。

2.1冷箱内塔器拆除模块

冷箱内塔器包括主塔和氩塔两部分，二者均分上下两段，且为板式塔+填料塔，拆除时不得破坏塔器内部结构和填料，因此塔器拆除时需从原上下段对接位置切割，其中最长的塔器长约33 m，最重的塔器质量约120 t。

图1　主冷箱结构示意

切割后塔器尺寸如表1所示。

表1　单套空分装置冷箱结构和塔器拆除模块尺寸

2.2冷箱结构拆除模块

冷箱结构按其立柱连接形式可分6层，根据尽量不破坏立柱结构的原则，从立柱连接处进行切割，得到6层四轴面钢结构箱体，冷箱结构拆除模块，图2即为利用建筑信息模块（BIM）建立的。

冷箱第1～5层结构均按模块化拆除，拆除后在地面分片解体，第6层直接在地面解体拆除，一共得到24片结构。冷箱结构模块解体步骤如图3所示。

2.3冷箱内管道

为减少再建安装的工程量，冷箱内管道采用模块化拆除。在满足运输要求和保证安全的前提下，冷箱内管道拆除模块应尽量大。图4为冷箱内管道的某一拆除模块。

通过分析确定了冷箱结构、冷箱内管道和塔器的拆除模块，其中冷箱结构和冷箱内塔器的拆除模块如表1所示。

图2　冷箱结构拆除模块三维模型示意

图3　冷箱结构模块解体步骤示意

3　冷箱模块化拆除

3.1施工工艺

冷箱内空间狭小，不利于施工，在保证安全的前提下，通过精心组织，可实现平行施工。图5为冷箱拆除施工工艺流程图，在该施工工艺中，管道拆除和冷箱结构的切割可以平行施工；在冷箱结构模块化拆除吊装后，冷箱结构模块的地面解体和塔器的拆除可以平行施工。相比传统施工方法，该方法不仅节约工期，还减少了大量高处作业、脚手架的搭拆，降低了施工作业安全风险，减少了费用。

图4　管道拆除模块BIM模型示意

图5　冷箱保护性拆除施工工艺流程

3.2冷箱模块化拆除实施方式

3.2.1冷箱内管道

冷箱内管道拆除采用安装时的逆工序，即采取“先小管、后大管、先支管、后主管、先仪表管道、后工艺管道”的原则。管道拆除模块一次到位，切口位置根据绘制设备及管道三维布置图辅助确定。

与设备连接管口切割时，DN100及以上的管道需采用二次切割法进行切割（见图6），且要在设备管口内安装好清洁堵头后方能开始第二次切割；DN100以下设备管道在原焊缝位置切割，采用“深度控制切割法”进行切割，以防止切割过程中产生碎屑掉入设备内。

图6　与设备连接的直管段和带弯头管道切割示意

3.2.2冷箱结构

（1）切割。冷箱结构包括立柱、横梁、斜撑、加强筋、面板等。图7为冷箱结构第4、5层的ROW1轴面的Revit模型示意，冷箱每层结构的立柱之间是通过螺栓加焊接进行连接的。

如图7所示，首先切割冷箱面板及加强筋板，然后，拆除斜撑上部分螺栓后，将斜撑固定在下一层钢结构上，随第5层结构一起拆除，接着再将立柱间的焊缝磨掉，然后拆开螺栓，即可进行整层结构吊装。其余3个轴面的拆除形式同ROW1轴面。

（2）模块化拆除及解体。按图7切割冷箱结构后，将冷箱结构分成6个拆除模块，第1～5层冷箱结构模块采用750 t履带吊拆除吊装，模块化拆除吊装完成后，将6个冷箱结构模块均按四个轴面进行解体（见图3），结构解体时需用辅助吊车配合进行，以防止结构变形。

3.2.3冷箱内塔器

冷箱内塔器按塔器原上下段对接位置进行切割，切割完成后，采用750 t履带吊将塔器吊出冷箱结构，然后采用“一机主吊、一机辅助配合”的吊装方法将塔器放平并放置在设备鞍座上，并用箍筋包住，再进行充氮保护。

塔器切割时，必须先用主吊车吊住塔器上部的吊点，初始用力约占容器重量的10%，塔器壁厚16mm，塔器切割时不得一次性切透，待切割约3 mm深度后，主吊车将起力提高到25%，当部分即将切透时，主吊车将起力提高到100%，最后将塔器吊出冷箱结构。

图7　冷箱结构拆除位置示意

4　有限元分析

由于冷箱结构模块是在施工过程中设计的，需分析该模块在拆除吊装过程中是否有节点受力不满足要求的问题。利用3D3S软件对冷箱结构模块吊装时进行有限元分析，检查采用模块化拆除吊装时各节点的受力和变形情况。冷箱第5层结构为最重的吊装模块，如图8所示，吊耳位于模块的4根框架柱上（在第一根横梁上方约200 mm处）。这里仅列出第5层结构的应力和强度分析结果，见表2～3。

图8　冷箱模块吊装的有限元分析

表2　合位移最大的前10个节点位移

表3　强度应力比最大的前10个单元的验算结果

根据表2和表3可知，合位移和强度应力比等均符合要求。因此，在吊装过程中，冷箱结构模块的受力和变形符合要求。

5　结束语

模块化施工在越来越多的工程中得到应用，通过设计、分析与验算，成功地将模块化施工技术运用到大型空分装置冷箱的保护性拆除中，使冷箱结构、冷箱内管道、塔器均采用模块化拆除，大大减少拆除、安装工作量。同时，在冷箱拆除工艺中，冷箱内管道拆除和冷箱结构的切割、冷箱结构模块的地面解体和塔器的拆除均可以平行施工，相比传统方法，该施工工艺不仅节约工期，还减少了大量高空作业，降低了施工作业安全风险。

参考文献

［1］余化，冯天照，刘庆亮.大型空分装置国产化技术发展状况及应用前景［J］.化肥设计，2014，52（1）：9- 12.

［2］梁志强，谭航行.大型石化装置异地搬迁施工技术［J］.石油工程建设，2010，36（5）：81- 83.

［3］陈玉海，谢灿波，高光军，等.“模块化、橇装化、工厂化”集成技术在苏丹石油地面工厂化建设中的应用［J］.石油工程建设，2013，39（5）：33- 37.

［4］岳敏.石油化工建设项目模块化施工技术［J］.石油工程建设，2015，41（2）：55- 59.

［5］孟世伟.石油化工装置钢结构框架安装技术［J］.安装，2012（8）：22- 25.

［6］黄卫明.石油化工装置模块化施工［J］.化工设备与管道，2013，50 （1）：33- 37.

Modular Dismantlement for Cold Box in Large- scaled Air Separation Unit

LIJunfeng，ZHANG Xiaohong，LIU Guochao，YUE Weiwei，YANG Lin
Shanghai No.13 Construction Co.，Ltd.，Shanghai201999，China

Abstra ct：In the relocation project of two sets of 6×104m3/h air separation unit（ASU）from Baoshan Steel Plant to Zhanjiang，modular construction was successfully used. In protective dismantlement and transportation of the cold box in the large- scaled ASU，logical design，detailed analysis and calculation were conducted to overcome the problems such as much aerial work，tight work period and narrow construction site. The steel structure of the cold box，pipeline and rectifying column were dismantled into modules，then the steel structure of the cold box was further dismantled into transportation modules. In this method，disassembly of the pipeline，cutting of the steel structure of the cold box，disassembly of the tower could be executed simultaneously.

Keywords：ASU；cold box；modularization；protective dismantlment

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.011

作者简介：

李俊峰（1986-），男，安徽合肥人，高级工程师，2012年毕业于华东理工大学，博士，主要从事石油化工、化工、空分工程建设项目施工技术的研究。Email：guangmingzuoshili@163.com

收稿日期：2015- 10- 27