强制循环蒸发装置设计对施工影响分析

周 振,张 微，卢 奇,黄 超,秦 妮,李安军

(1. 上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070)

由于设备和装置大型化的发展趋势，强制循环蒸发器及循环管道外形尺寸越来越大，安装高度越来越高，安装难度也随之增大[1]。由于施工技术的进步，新型安装方法应用于在大型蒸发装置，例如刘公智对某一蒸发装置进行模块化施工，并获得良好的效果[2]。设备管道及装置大型化带来的安装难题及新型安装技术的应用，对前期设计阶段提出了更高要求。因此设计阶段能把安装时涉及的问题提前考虑，例如大直径循环管道的设计，设备及循环管道的安装顺序，关键零件设计等因素，将对现场施工有极大的帮助。很多问题如果设计时考虑的不足，设备安装后要面临整改，现场施工难度大，安全隐患高，个别问题甚至难以整改，对设备和装置的性能及安全带来危害，同时将增大施工安装成本。

设计阶段能把各种问题考虑充分，特别是设计人员与施工进行充分交底，把问题解决在施工之前，将对整个装置施工质量及施工进度都有十分重要的意义[3]。

1 管道设计

1.1 虾米弯的设计

大直径管道中有多处使用虾米弯。其设计依据是HG/T 20582-2011，有效半径R应大于标准中的限定值[4]，有效半径多与管道直径相等。

按有效半径与管道直径相等制造的虾米弯两端管段很短，焊接时难以保证设计所要求的角度，导致虾米弯弯曲度数偏差较大。虾米弯两端管段部分，外侧尺寸大，内侧较小，标准GB 50235-2010规定了内侧最小宽度不应小于50mm[5]。 在焊接后内侧尺寸较小的部分受焊接影响较大，焊后变形较大，会出现如图1型式变形。这个变形导致与直管相连接时，一侧间隙过大，错边较大，增加焊接难度，影响对接焊缝质量。

图1 虾米弯焊后变形示意图

根据经验，在虾米弯设计时应将其两端管段加长，如图2，其中虚线为按有效半径与管道直径相等时设计的结构。该结构增大了管端距离焊缝的尺寸，避免了焊接对虾米弯管端偏差的影响，同时利于控制虾米弯的弯曲角度偏差，在制造及安装时能较好的保证安装精度。根据经验内侧虾米弯最小尺寸不应小于300mm。

图2 改进虾米弯结构

1.2 管道焊缝预留

该装置设备和管道尺寸较大，壁厚较薄，现场安装困难，所以设计中所要遵循的原则是能在车间预制的一定要预制好，避免增加现场工作量。由于现场厂房、钢结构框架、运输及吊装的限制，管道不能设计过长，应根据现场的实际情况进行分割。装置高度可达30～40m，个别管道吊装时需穿三层楼，长度可达15～20m。多数厂房已建好，只留安装孔，要完成长管道的吊装，需要进行精确的计算，由于吊装过程中的不稳定因素太多，很难完成长管道吊装。并且较长的薄壁管道吊装时，容易产生变形，发生失稳，建议将管道分割成两段，以便于完成吊装。由于设备已加工完成，只能在管道上预留相应的焊缝以便于现场装配。焊缝的预留不合理将导致现场难以装配，需进行返工，增大工作量。同时为减少现场的工作量，预留焊缝要尽量少。强制循环蒸发器结晶设计压力及设计温度等参数相对较低，选用平焊平焊法兰，预留焊缝应设置在法兰与接管焊接处，因为该处不仅可以调整轴向的尺寸，由于法兰螺栓孔与螺栓间及法兰内径与管道间都存在一定的间隙，该间隙可以调整管道与法兰的垂直度，来弥补设备安装误差对安装的影响。

现场焊接管道根据实际预留坡口，便于现场焊接。现场常见一些管道未预先设置坡口，需进行手工打磨，一方面精度达不到要求，另一方面工作量太大，效率太低。由于现场施工限制，预留外坡口，坡口的设计需满足相关标准的要求。车间预制的管道，需设计一定的余量，保证施工过程中避免管道长度不足带来的影响，同时也可避免管道上焊缝距离过近。

1.3 管端加强

管道在运输、吊装和倒运过程中，端部容易磕碰，产生变形，影响管道的对接焊缝质量，发生错边，对接时需在管道上焊接工装进行校正，影响对接质量和施工进度。

大直径薄壁管道应采取措施对管道端部进行加强，可设置加强圈，增加管端刚性。还可在其内部或外部设置临时加强措施，如设置刚性支撑环或采用型钢支撑等防止其变形。

1.4 管道焊接保护

管道材料常为S22053及S31603，有些腐蚀严重的场合选择钛材，现场施工过程中一般采用氩弧焊，其焊接质量高。在焊接时应在管道内部进行充氩气保护。对于小直径管道，一般将两端的法兰面密封，在管道内部充氩气保护焊接。但对于同设备相连大直径管道，直接充氩气保护需要的氩气量很多，不经济。所以在管组焊前在距离管端不远处粘贴可溶性的纸进行密封，将氩气充入由管道和纸围成的密闭空间进行焊接保护，这可以提高焊缝的焊接质量。对于其中的纸张，在进行水压及试运行时在水和物料的作用下，会从管壁冲到介质里并会溶解成小片，通过装置底部的排放口排出。

2 安装顺序

2.1 发货顺序

强制循环蒸发装置，牵涉的设备及管道多，尺寸大。用于废水装置，一般是由于环保原因后增加的项目，因此施工场地空间较为有限，所有设备不能一次性运输到现场，应根据现场实际安装情况，依据安装计划协调制造厂按要求的顺序发货。避免设备及管道存放场地不足问题及二次搬运问题。制定合理的施工组织计划[6]，配合现场安装进度进行管理，减小安装时间，节省安装成本。

2.2 设备和管道安装

强制循环蒸发装置包括蒸发室，加热室，循环管路、循环泵及二次汽管路等。上述管路和设备分布不同的楼层，如果设备的安装就位顺序不合理，将需对设备和管路进行二次倒运，由于设备及管路的尺寸较大及厂房的限制，这项工作的难度将很大，有时需要对管道进行分割才能完成倒运。如穿楼层的管路，可放在上层从上往下安装，也可放置于下层从下往上安装，这时应根据吊点设置及安装位置周围的空间等因素进行合理的确定。

多效蒸发装置安装时先进行蒸发室、加热室及二次分离室就位，根据现场的实际情况，将各部分循环管道放置于不同的楼层。循环管道装配时禁止强力对接，端面的间隙、偏差、错口和不同心等缺陷不得采用加热管子、加偏垫等方法消除，禁止采用任何扭曲的方法进行组对[5]。

3 内件安装

强制循环蒸发装置的蒸发室中设置有除沫器，如果折流板除沫器安装不稳固，在设备吊装或运输过程中会发生错位或者脱落。在设备运行过程中，在二次蒸汽的作用下，除沫器固定不稳，发生错位和坠落。由于循环管直径较大，会落入循环管，循环管上安装有循环泵，除沫器搅入循环泵将对泵造成严重损坏。

因此类似蒸发室内件不建议采用螺栓连接，如果要求可拆结构，建议采用双螺母结构，并考虑适当的安全系数。

为减少除沫器的运输对除沫器带来的影响，可采用以下方式：

(1)除沫器现场安装；

(2)将除沫器的块与块采用焊接或螺栓连接的方式连接成一个整体。

4 关键零件设计

4.1 人孔的设置

对于该强制循环蒸发装置，应根据需要设置人孔，该装置中只有蒸发室中折流板除沫器上下设置两个人孔。在装置运行时换热器有可能发生堵管，这时清洗换热器，就需要把其上下连接的循环管拆除，该管道直径为DN1200，设备法兰为DN1600。另外循环泵在运行中有可能发生故障，如除沫器脱落后搅入循环管中的，如果想取出除沫器，需拆卸一段循环管，见图3。两侧法兰直径为DN900和DN1200的法兰。这时如果在换热器的上下管箱及泵口附近的循环管上设计一个人孔，将免去拆卸大直径的法兰，减少了吊装工作，极大减轻拆卸工作，同时也可省去大直径法兰垫片的更换。

图3 泵口循环管拆卸图

4.2 设备加强圈设计

蒸发室直径较大，其壁厚较薄，吊耳型式选用轴式吊耳[7]。多效蒸发常为真空操作，真空容器需设置外压加强圈，由于设备直径较大，加强圈尺寸也较大，保证其刚性。

在设备吊装时，加强圈设置在轴式吊耳的上侧，由于其尺寸过大，在吊装时将会向刀片一样划伤吊具，产生危险。完成吊装需要把位于吊耳正上方的一段加强圈切割，在设备吊装就位后进行补焊。设备就位后再对外压加强圈进行补焊，此时焊接存在高空作业，设备内部焊接热影响区需进行酸洗钝化或抛光处理，二次焊接对焊缝的质量有一定的影响，同时增大了成本，影响设备的外观及安全性。因此，设计时应考虑设备加强圈设置问题。

所以尽量避免加强圈设计在轴式吊耳上方，如果由于强度因素必须设置在轴式吊耳的上方，应考虑增加轴式吊耳吊臂的长度，或者增大吊装平衡梁的长度，使其吊绳偏角竖直向外，使吊绳远离加强圈的影响。

4.3 管道支撑

对于大直径长管道，例如循环管及二次蒸汽管路，直径分别为DN1200和DN1400。循环管内部充满介质，介质本身的重力及流动对会管道产品较大的作用力；二次蒸汽管路中的蒸汽会对管路产生较大的冲击力，产品振动。当管道较长时，介质的作用力更加明显。另外管路中的介质是在一定工作温度下工作，尤其是蒸汽管路，会产品一定量的热膨胀量，易产生变形，导致焊缝撕裂。

为解决上述问题，可在管路合适的位置设置支撑减少管路的自由段长度，采用弹性支撑较好，例如在支座底板下设置减震橡胶。对于产生较大膨胀量的管路宜设置膨胀节来吸收管路的膨胀量。

4.4 视镜清洗

蒸发室上需设置多个视镜，便于观察设备内部的液位及介质中的晶体含量。由于设备内介质存在结晶，晶体在视镜玻璃处易产生堆积，遮挡视线，所以每个视镜应设置冲洗口。标准视镜的冲洗口尺寸较小，容易发生堵塞，因此应在视镜口附件设置一个DN15的清洗管口，如图4所示，该结构可有效解决视镜口的晶体附着，同时避免清洗管路堵塞。

图4 视镜冲洗结构图

5 结论

通过对蒸发装置安装过程中发现的问题进行分析总结，对强制循环蒸发装置在设计时提出了一些有利于现场安装施工及便于后期运行的解决办法，这些措施能有效地解决了安装过程中的管道安装困难，装配误差大，维修拆卸不变等问题，提高施工质量，缩短施工周期，节省施工成本。

对于现场施工工程项目，应尽可能地在设计阶段结合厂房布置及现场实际情况进行全面考虑，如考虑运输、吊装，设备就位等问题。能在设计时解决的不要放到施工现场解决，能在车间完成的一定要在车间完成，现场解决需要的人力物力较多，并且质量和安全也难以保证。

本文对类似项目提供指导，避免相同问题发生。后期同本装置类似的另一项目依据本项目的施工经验，施工工期由50天缩短至40天，极大地提高了施工效率，并提高了施工质量，一次验收合格。