20万t/a乙烯裂解炉整体模块化建造技术

王志成

(惠生工程(中国)有限公司，上海 201210)

国内乙烯裂解炉通常采用现场预制成小模块，用400～600 t履带吊车安装施工的工艺。一般流程是辐射室成片或成框，对流段模块工厂化组模或现场组模，对流段模块两侧结构成片，安装炉管和急冷锅炉，对流段上部结构预制成框安装，安装烟道、汽包、风机、烟筒及衬里等。传统工艺预制场地需求面积大，使用大吊车多，工期至少需要9.5个月。国内某建造单位通过详细统筹，打破传统制造模式，采用整体模块化建造的方式，仅用5个月就完成了首台裂解炉的模块化设计、建造和总装，解决了项目现场无预制场地、工期短的难题，为企业如期投产赢得先机，获得业主的高度认可。

1 工程特点

国内某石化企业(简称该企业)140万t/a乙烯装置共有9台20万t/a乙烯裂解炉，由Technip(原S&W)提供工艺包，国内某一大型设计院负责详细设计。建造单位于2017年与该企业就乙烯裂解炉项目达成合作，9台20万t/a裂解炉整体模块将在建造单位基地进行预制、组装和交付。工程特点如下：

1) 项目工期紧，合同要求9.5个月9台裂解炉全部交付。一期9台裂解炉布置在长为150 m、宽为60 m的区域，现场作业条件受限。

2) 裂解炉模块高度53 m，宽度(含建造和运输桁架)约21 m，重达3689.6 t。其结构布局紧凑，安装工程量大，建造工序多，钢结构、设备、衬里、配管和电仪等平行交叉施工。

3) 裂解炉结构型钢规格大，辐射炉膛制作靠一侧焊接，焊接收缩及变形大，安装精度要求高，需严格控制焊接变形。

4) 结构分片、分段组框，制作过程中多次翻身，自身纵向强度较低，吊装过程中须采取控制结构吊装变形措施。

5) 对流段模块安装采用螺栓连接，定位精度要求高，模块制作及组装均须严格控制精度。

6) 整台裂解炉分片、分段预制后，在临时基础上完成总装。建造基地临海，大风天气多，总装期间需要做好防风措施。

7) 裂解炉模块具有质量集中、重心高(标高25.8 m处)、稳性差的特点，运输难度大。

2 模块化设计

2.1 模块化设计主要工作

根据裂解炉本体结构特点、炉体尺寸、基地及现场气象、海况资料、所选运输船型、运输路线等确定模块设计方案。采用StaadPro、Tekla、SP3D等设计软件进行三维数字化建模分析，确认模块化范围，进行二次转化设计，形成shop-drawing进行制作。

1) 临时基础设计须满足建造时抗倾覆、抗滑移和整体稳定要求，主要部件包括基础和基础间加固桁架，结合现场土建基础参数和SPMT挂车所能达到的升降范围，确定结构布置方案。

2) 确定整体模块的过渡柱脚，实现快速安装和拆卸，便于工作面的展开，提高工作效率。

3) 单独设计运输辅助桁架，用于SPMT、海运运输及建造过程中的支撑，具有分摊荷载、防止倾覆的作用，是实现大型整体模块的建造和运输的主要条件之一。

4) 整体加固。模块在建造、运输过程中，由于制作条件和受力状况与正常使用工况不同，需采取相应的加固措施以保证稳定性。根据SPMT挂车性能制作运输托盘和支架，该辅助支架全部采用高强螺栓连接，方便安装、拆卸和重复利用，并能根据模块需要任意组合。

5) 衬里和附件保护方案。对辐射段炉膛砖墙衬里、汽包、废热锅炉、辐射炉管以及电仪设备等进行加固保护，加固钢材、尼龙绑扎带、木板和聚氨酯泡沫板等保护措施材料可以循环重复利用。

6) 船上固定方式。通过SPMT挂车将整体模块装船后，整体模块就位于船上已有的工装，柱脚采用止动压板方式进行固定，运输桁架外侧四周用斜杆铰接支撑；SPMT挂车开出工装通道后，对四趟滑道基础进行肘板焊接，海固(绑扎)完成。

2.2 裂解炉模块

裂解炉模块包括炉膛、辐射炉管、对流模块及对流框架、筑炉衬里、急冷锅炉、汽包、上升下降管、高温跨线以及电仪设备及照明等。裂解炉模块示意如图1所示。

图1 裂解炉模块示意

3 模块建造

3.1 模块化建造分段

单台炉子模块以竖向分为辐射段(EL18.2 m以下)、对流段(EL18.2～EL38.4 m)、集烟罩(EL38.4～EL50.0 m，汽包顶EL53.0 m)3段进行制作、总装，模块间垂直方向及片体与片体间连接采用焊接结构，水平方向连接采用高强螺栓连接，将在地面上组装的模块以搭叠积木的方式进行总装，制作要求符合SH/T 3511—2007【1】。

风机、烟囱及框架在现场整体就位后进行安装。裂解炉模块化建造分段示意如图2所示。

3.2 辐射段模块化建造

辐射段包括2个炉膛、横跨段、辐射炉管。炉膛侧墙、端墙、炉顶、炉底在地面分片整体制作。片体制作完成后，焊接衬里锚固件，片体卧式合拢组装成箱体，整体吊装到临时基础上。炉膛地面整体制作，横跨段分片预制，待两炉膛就位后安装。

辐射炉管工厂制造、成组交付。炉膛就位后，吊装辐射炉管，临时固定在炉顶结构上，将急冷锅炉就位后，再进行位置调整及组对焊接。

炉膛结构在地面平台上预制，分片合拢、卧式组装建造。在不影响炉膛组装施工条件下，炉墙板衬里锚固件一般在炉膛组装前平置状态安装焊接。

3.2.1 建造工艺流程

建造工艺流程示意见图3。

图3 工艺流程示意

3.2.2 制作要求

1) 下料切割

板材下料由电脑套料后采用数控等离子切割机或火焰气切割机切割，型材采用半自动与手工切割相结合方式下料。气割前，应将切割区域表面的铁锈、污物等清除干净。气割时，根据工艺要求预留安装的焊接收缩余量及切割加工余量；气割后，应清除熔渣和飞溅物，钢材切割面应无裂纹、夹渣、分层等现象。

2) 结构焊接

焊前编制焊接工艺规程，并经评定合格；焊工应经考试合格，并取得相应的合格证。

定位焊缝的长度宜为30～50 mm， 间距宜为300～400 mm，高度为设计高度的1/2～2/3。

焊接采用手工电弧焊和二氧化碳气体保护焊工艺方法。

焊接结束后，将焊道表面的药皮、焊渣、飞溅清理干净，进行100%外观检查，要求焊缝外观成形良好，焊缝表面不得有裂纹、夹渣、气孔、弧坑等缺陷。重要焊缝进行超声波检测。

3) 炉膛片体制作

片体制作在临时型钢胎具上进行，胎具整体平面度控制在±3 mm。最大片体侧墙尺寸31 m(长)×18.2 m(宽)，①轴～⑨轴共9根柱。柱梁规格大，其中边柱为H700 mm×500 mm×80 mm×50 mm焊接H型钢，焊接收缩及变形大，需采取反变形及加固措施，保证墙板的几何尺寸与平整度。框架柱与柱间距以中间⑤轴为基准，两侧各4根柱依次放大5～10 mm以抵消焊接收缩量。框架焊接前，片体在中间柱处“起拱”，“起拱”值为经验数值(约100～150 mm)，以控制焊接变形。焊接采取对称焊、分段焊等以减少焊接变形。片体制作后的变形矫正采用冷矫正和热矫正方法。

4) 炉膛组装

炉膛组装后须检查炉膛几何尺寸(长度、宽度和对角线)，并与土建基础的地脚螺栓位置、尺寸复核；检查合格后施焊，采取反变性措施以控制焊接变形。

5) 炉膛就位

把裂解炉炉膛模块吊装到临时基础上，要保证各立柱的中心与临时基础顶板中心线对齐，并用激光经纬仪检查立柱的垂直度与标高；检验合格后，用卡板把立柱过渡底板与临时基础顶板之间进行固定。

3.3 对流段模块化建造

对流段主要包括对流段模块、对流段结构框架和急冷锅炉。

5组对流段模块外委进行工厂化制作、成组交付基地安装。

8台急冷锅炉国内工厂化制造。

对流段框架建造可整体制作成一个侧面①轴～⑨轴、端面A-B-C-D轴框架模块，待框架就位安装后开展急冷锅炉安装。前2台重质裂解炉采取此建造工艺。

急冷锅炉吊装前，需考虑设备重心位置和吊点设置位置，保证设备受力均匀，吊装平稳，并对支承结构安装质量进行验收。

对流段框架也可以拆分制作成端面A-B、C-D 2个框架，急冷锅炉随对流框架一起在地面卧式组装，再在地面立起，组装成1个长度方向9轴、宽度方向4轴的“回”形整体框架。此种制作方式有效降低了施工难度，节省了脚手架搭设量，避免了高空作业。

3.3.1 对流段框架

对流段框架待辐射段、炉管等安装就位后进行安装。整个建造工艺流程如图4所示。

图4 整个建造工艺流程

3.3.2 建造工艺要求

1) 根据场地布置图，按照对流段框架轴线图，在合拢区域划地样线；框架组对临时基础地样线示意如图5所示。

图5 框架组对临时基础地样线示意(偏差+1 mm)

2) 按照地样线的位置放置临时基础，临时基础要设置调整底板与调整螺母，以保证安装精度。

3) 对流段框架片体吊装就位后，每根立柱两侧拉设不小于36 m的钢质揽风绳，钢丝绳安全载荷大于10 t，钢丝绳中间用花篮螺丝进行连接和锁紧。

4) 对流段框架片体就位后，用激光经纬仪检测立柱的垂直度，并用揽风绳、临时基础进行水平度与垂直度的调整。

5) 2个片体就位当天应形成刚性空间，以免发生倾倒。

6) 对流段框架组装完成后，利用800 t龙门吊吊装到辐射段框架上。

3.4 集烟罩模块化建造

集烟罩模块包括2个集烟罩及钢结构框架，采用卧式建造工艺，随框架制作完成集烟罩衬里施工。

3.4.1 集烟罩模块建造工艺流程

集烟罩模块建造工艺流程如图6所示，集烟罩模块制作如图7所示。

图6 集烟罩模块建造工艺流程

图7 集烟罩模块制作

3.4.2 建造工艺要求

1) 因集烟罩与对流段模块采用螺栓连接，故首先要保证内框架里面的集烟罩的组对精度，建造方法为先内后外，优先保证内框架尺寸，再在内框架尺寸基础上反找外框架尺寸。

2) 每个集烟罩内模块均需要在H型钢铺设的钢胎架上进行组装，胎架整体平面度应该控制在±3 mm以内。

3) 集烟罩模块总装时要根据项目场地布置规划，按照轴线平面布置图，在合拢区域划地样线。

4) 按照地样线的位置放置临时基础。临时基础要设置调整底板与调整螺母，以便保证安装精度。

5) 集烟罩内模块(B、C轴)整体翻身，吊装到临时基础上，找正固定，然后再吊装两侧外框架片体。

6) 吊装A、D 2个轴线片体，在吊装片体前，每根立柱2侧挂两根长度不小于18 m的钢质揽风绳，安全载荷不得小于5 t。钢丝绳中间用花篮螺丝进行连接和锁紧。

7) 用激光经纬仪检测立柱的垂直度，并用揽风绳、临时基础进行水平度与垂直度的调整。片体就位后，当天应形成刚性空间。

8) 安装其他结构散装件,完善平台、梯子与栏杆。

9) 汽包吊装就位，并完成粗找正。

3.5 裂解炉模块化总装

裂解炉采用从下至上积木式总装方式，在临时基础上进行。

3.5.1 组装工艺流程

组装工艺流程如图8所示。

3.5.2 组装工艺要求

1) 严格控制临时基础的安装精度，水平度控制在±1 mm，轴线间距±3 mm。

图8 组装工艺流程

2) 裂解炉总装在临时基础上进行，从下至上安装辐射段、运输支架、下部对流段模块、对流段框架、上部对流段模块、集烟罩模块。

3) 利用200 t龙门吊进行辐射炉膛模块的就位；裂解炉模块运输托架，应在对流段模块安装前安装，以增加稳定性。

4) 在安装对流段模块前应先复测桁架(横跨段)顶部与对流段连接平面的标高、水平度和平面尺寸，符合设计要求时，方可进行吊装。

5) 集烟罩模块利用800 t龙门吊吊装整体就位，集烟罩模块与对流框架所有立柱的接口须对齐，保证立柱垂直度与标高。集烟罩模块安装应在对流段安装完成并且共检合格后进行。

6) 辐射炉管挠性大，吊装时应使用抬尾吊车配合，防止炉管在吊装过程中产生塑性变形。炉管吊装及临时固定应采取防渗碳措施，避免炉管直接和碳钢接触。

7) 对流段框架、集烟罩模块安装前，将上升管/下降管临时固定在结构框架上，以减少高空穿管作业。正式安装前，应先安装其弹簧吊架，将弹簧吊架锁死在冷态位置，从汽包和急冷锅炉两侧开始向中间进行配管作业。

8) 相关电气仪表施工。

3.6 衬里施工

裂解炉衬里包括辐射炉膛、对流段模块、集烟罩及烟囱。

辐射炉膛衬里分炉底、炉墙、炉顶以及横跨段底及墙。辐射炉膛炉底衬里设计为背衬+浇注料，总厚度为335 mm。施工方法为：安装燃烧器—砌筑烧嘴砖—铺纤维板安装—浇筑料施工。炉墙衬里设计为耐火砖结构+陶瓷纤维模块，下部耐火砖高度为3.06 m，总厚度为330 mm。炉顶衬里结构为陶瓷纤维模块，结构同炉墙一致。横跨段底衬里结构为背衬+浇注料，炉墙衬里结构为陶瓷纤维模块。

辐射炉膛衬里在辐射炉管临时就位、横跨段完善后开展施工。

衬里施工前，炉顶及对流模块安装位置须采取防雨措施临时封闭。为便于防雨，可就位1～2组对流模块。

炉膛筑炉衬里施工直接制约裂解炉的发运，因此衬里施工围绕辐射炉膛筑炉衬里工作开展。每台裂解炉炉膛筑炉衬里时间约40 d。炉膛不同部位衬里施工可同时开展。

3.6.1 辐射炉膛衬里施工程序

辐射炉膛衬里施工程序如图9所示。

3.6.2 对流段模块、集烟罩、烟囱衬里施工程序

对流段模块衬里结构为背衬+浇注料，外委制造厂施工。施工程序如图10所示。

集烟罩及烟囱衬里结构为浇注料。集烟罩和烟道浇注料施工随结构制作进度地面完成。

3.7 辐射炉管安装

辐射炉管每台炉16组。辐射炉管、急冷锅炉就位后，现场完成辐射炉管和急冷锅炉连接焊接，炉管焊接执行SH/T 3506—2007【2】。

3.7.1 辐射炉管和急冷锅炉组对

辐射炉管和急冷锅炉组对应保证辐射炉管的垂直度以及组对间隙。组对顺序如下：

图9 辐射炉膛衬里施工程序

图10 施工程序

1) 检查急冷锅炉安装尺寸偏差及垂直度；

2) 炉管集合管临时固定并检查管口标高和炉管间距；

3) 炉管和急冷锅炉管口组对，焊口临时过桥焊；

4) 辐射炉管上加固夹具拆除；

5) 调整集合管的中心标高、水平度，检查炉管的垂直度、自由度；

6) 炉管与废锅焊口组对调整，保证炉管垂直度。

3.7.2 辐射炉管和急冷锅炉焊接

辐射炉管及急冷锅炉间焊口材质为HP LC，焊丝选用ERNiCrCoMo-1。焊接基本要求为：

1) 采用高频起弧焊机全氩弧焊(GTAW)焊接；

2) 辐射段炉管焊接时，焊接电流不宜过大，线能量不得超过10 kJ/cm，填充焊时尽可能多层多道焊，焊接时不摆动，层间温度控制在100 ℃以下，以免产生热裂纹；焊接过程中每层焊道进行着色检查，合格后方可进行后续焊接。

4 裂解炉模块加固、模块运输及安装

4.1 裂解炉模块加固

详见2.1节第4)～5)款。

4.2 裂解炉模块运输与安装

裂解炉整体模块具有质量集中、高度高、稳性差的特点，建造和运输难度较大。运输过程包括从建造基地滚装上船—海运加固—沿海驳运—滚装下船—厂区运输—装置区就位。

根据建造基地和现场的实际情况，确定了陆上采用自行装卸式模块运输车、海上采用1万8 000 t 级自航驳船、一船一件的运输方案。运输车配车方案为采用4纵列共136轴544只轮胎360°全回转SPMT挂车装载，依据设备左右对称布置。

运输道路承载能力应达到 12 t/m2以上，路面板结或硬化；道路横坡应不大于 2%，纵坡应小于3%；道路宽度应不低于24 m。

裂解炉模块利用SPMT运输车顶升自行调节进行就位安装。4纵列小车必须行动一致，顶升和下降时保证车板的水平度。

选取两端至少3个基础为基准，在裂解炉基础柱底板上画出裂解炉模块立柱安装位置框线。模块就位重点考虑水平位置及标高控制，SPMT运输车调节控制精度满足5 mm内轴线偏差要求，实现了整体精准就位，提高了安装质量。

以往传统钢柱柱脚布置螺栓数量过多，受螺栓数量影响，安装后的立柱柱脚调平、校准难度较大且失于精准。利用SPMT挂车和过渡柱脚整体就位，可最大程度地消除安装误差和安全隐患，将施工安装精度控制在允许偏差范围内，符合设计要求，降低安装成本。

5 工程模块化交付模式优缺点分析

5.1 建造周期大幅缩短

与现场传统施工模式比较，整体模块化建造能够展开多工序平行、流水作业，减少劳动力投入，人工施工成本可以节省约30%。以安装工为例，9台裂解炉建造传统模式需500～700人、15～18个月，整体模块化建造仅需350～450人、7～10个月。

5.2 建造成本降低

模块化建造和就位减少了大型吊车的选用和使用周期，9台裂解炉建造传统模式一般需要使用1 250 t、1 000 t、650 t、450 t 等大型吊车，吊装费用不少于1 200万元；模块化建造仅使用1台800 t龙门吊和2台200 t龙门吊6～8个月，场地设施采用固定资产折旧的方式摊销降低成本，经济效益突出。

5.3 裂解炉建造质量得以保证

模块分段预制完成后再进行整体总装，分段以最大程度在地面完成为原则，辐射段、对流段以及集烟罩模块在地面分片组装，同步安装设备，3段分别整体吊装就位，避免了施工交叉作业，降低了设备安装难度。

与现场制作相比，工厂内制作作业条件优良，可进行机械化、车间流水作业。结构及管道预制采用机械加工，控制及矫正结构制作变形措施及手段多。

5.4 降低施工及安全管理难度

炉体正式附属通道、梯子、栏杆等辅助钢结构在地面随着模块组装一起投用，结合实行工装脚手架，避免了预制过程中大规模脚手架满搭，不仅节省了脚手架搭设工作量，减少高空作业，还确保了作业人员有良好的作业环境。

裂解炉本体制作80%以上的高空作业改为地面实施，从而改变了作业环境条件，解决了现场作业条件受限问题，降低了施工难度，也减少了施工安全的管理难度。

5.5 裂解炉运输难度大

裂解炉模块具有重量集中、高度高、稳性差的特点，运输难度大、运输费用较高，需要经验丰富的专业运输公司方可完成，对现场路况、场地和顶升机构能力要求较高。本项目特别聘请了国际海事安全咨询公司参与方案评审及过程监控，保证了运输工作顺利实施。

6 结语

整体模块化建造交付不仅适用于工程项目所在地现场施工场地、环保、资源等条件受限、工期紧和项目外围水陆与现场具备整体运输条件的国内外大型乙烯裂解炉、其他工业炉模块化建造与交付，也适用于工业装置的模块化建造与交付。