大型超限PTA装置筒体制造防变形设计

张正棠，孙宝财，白崇晖

工艺与装备

大型超限PTA装置筒体制造防变形设计

张正棠1，孙宝财1，白崇晖2

（1. 甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050； 2. 中国石化销售股份有限公司甘肃石油分公司，甘肃 兰州 730030）

以大型PTA装置制造为例，介绍了大型化工PTA装置筒体成型过程中的变形问题，分别分析了产生这些问题的原因以及应对措施。针对筒体制造出现的变形问题，设计一种新型的防变形筒体卷制工装，该工装的应用大大减小了筒体卷制中的变形，新型筒体卷制防变形工装可根据设备直径大小、长度进行调试，并提出另一种锥体焊接组对防变形方法。新型工装的设计提高了生产效率，满足筒体卷制完毕后水平度的要求，从而保证了设备的制造质量。

PTA； 筒体； 防变形； 工装

为了提高生产效率，提高产量，近几年我国的塔器设备日益呈现出大型化、超限化、工艺流程复杂化等一系列非常规化。在石化厂中的大型塔器、高压加氢裂化反应器、储油罐等为了提高产量、精度在设计方面较以往都有大的变化，不只是在外观规格上超出了以往的规模，也在设计、工艺流程上加大了精细化、复杂化，使得产品的纯净度更加好，这对石油化工行业来说是非常好的趋势。精对苯二甲酸也简称PTA，是化学工业生产中的重要原材料，它是经过一系列的化学反应[1]，再经过各种设备、方法处理后得到的产品，这一过程需要不断精炼、提纯方可得到所需产品。在PX氧化PTA的过程中，主要利用生活中常见的原料醋酸作溶剂，在整个反应过程结束后需要对产品及废品进行回收，在回收过程中混有大量杂质，这些含PX和MA的醋酸水溶液[2]还能进行进一步提纯得到新产品。

经过大量研究，PTA装置工艺流程的发展越来越精细，在对苯二甲酸反应系统中，主要用于反应、分离等工艺中的醋酸分离器是PTA反应中常用的大型装置，它的加工过程也是非常的复杂，须要进行好多步过程，例如混合搅拌、均匀溶解、精馏、提纯等[3-4]。这个过程得到的产品也是多种多样的，主要有各种醋酸酯[8]和醋酸酯的异构体。PTA产品的生产工艺流程是一个经典的相变精馏提纯过 程[9]，经过大量的研究，传统稳定的PTA生产流程以及前期模拟生产流程工艺[10-12]都很完善而且应用也较好，而这些流程在稳态、非线性等参数设计中具有稳定、均匀等特点[13-15]，偶尔也会出现某些特殊、意外的情况，这些因素都加大了工艺控制的难度。曾根保[16]等采用Aspen Dynamics方法研究对醋酸工艺在脱水过程中的动态特性；韩恺[17]等利用前人程序进行改进并将改进成果应用到PTA生产工艺脱水装置上；位倩倩[18]等对醋酸工艺流程尤其是脱水、精馏工艺中的回收塔中加装温度控制器来调整温度进而控制回流比；WANG[19]等也提出一种新的温度控制方法，通过数值方法进行求解对后续研究具有一定的借鉴意义。

以PTA装置的生产为例，为了提高生产效率，使得PTA装置不仅在外形尺寸上越来越大，而且在工艺流程上也越来越精细，从任何一方面来说都给我国的国民经济带来了巨大效益，但是内件的安装需要的技术含量也很高，同时也对我国制造业的技术挑战引进了一个更高的层次，也将会提高工业生产率，必定是未来的一个大的趋势。

某公司PTA装置生产设备主体材料为碳钢、复合板、不锈钢，制造过程中的关键工序是超限筒节厂内制造精度和运输到现场过程中防变形措施的控制。由于筒体是由钢板在卷板机上分瓣卷制完成，从制造厂内运往现场进行纵缝焊接，在这一系列工序中筒体已经发生变形，轻者返修、重则报废。现通过新型筒体、锥体防变形工装来控制以上变形，对防止筒体变形起到了良好的效果，节约时间，节约成本。

1 新型筒体卷制工装的设计

1.1 结构设计

新型筒体卷制工装设计的主要目的在于防止大型筒体在卷制过程中由于直径较大、厚度较薄导致筒体塌陷。另外一个优点是长度可调式，可满足不同规格的筒体卷制。其具体结构如图1所示，由2块压弧钢板作主要连接件，钢板规格为1 200×150×50，钢板两端焊接两个轴承，工装端口用筋板加强固定，两块钢板的规格为1 200×150×40，两块钢板用2根钢管连接，钢管的规格为Φ100×10，钢管中间穿一根Φ90×10的钢管，根据卷制筒体的宽度可调节2块钢板的间距。对于本次PTA装置生产来说，超限设备很多基本都是超限筒体，通过分瓣卷制工序繁多，还多一道纵缝，此工装将解决了这个问题，并且效果很好。

1.2 工作原理介绍

使用时首先将要卷制的板料放入卷板机中，待整块板卷制到1/2的时候利用天车将工装两端吊钩吊起，使得工装放入正在卷制的筒体中，并起升天车将工装钢板上的两端轴承与卷制筒体内壁紧密贴合，防止筒体塌陷。该工装适用于直径4 500 mm以上的大型超限薄壁筒体卷制以及直径4 500 mm以下的超薄壁筒体卷制。

2 锥体组对焊接防变形方法设计

2.1 结构介绍

该防变形工装对于小直径锥体是利用2块比锥体板厚的钢板按照距锥体外径上、下口150 mm位置数控气割宽度200 mm的钢板；另外沿焊缝利用拉筋板将锥体纵缝焊接。对于大直径锥体从内部打支撑，外部按照小椎体办法在锥体上下端部加支撑，在内部中间部位加钢板支撑，在防变形板之间焊接拉筋板防止焊接变形，如图2所示。

图2 锥形筒体防变形

2.2 工作原理介绍

锥体卷制或油压机压制成型后，按照精度要求组对好后点焊工装，把工装焊接，从内部焊接锥体纵缝。

根据现场以上出现的问题，针对超大大直径容器采用筒体分瓣卷制，卷完后将分瓣卷制的筒节放置在专用工装中，并在筒节端口加防变形支撑，如图3所示。

图3 筒体分瓣卷制和打支撑

在对超限设备焊缝焊接中，采取纵、环缝立焊，避免上述变形，立焊的关键要控制好对口错边量，一旦纵缝控制不好成型后进行环缝组对时，对口错边量将非常大，无法进行组焊，经过试验后将对口错边量控制好，筒体组对效果很明显，及时完成了产品的生产，取得了很好的效果，得到了用户的一致好评。图4为纵缝立焊、筒体环缝立式组对。

图4 纵缝立焊、筒体环缝立式组对

对于整体卷制的筒体卷板完成后，校圆合格以后，立即端口打米字型支撑，将各筒节吊放在滚轮架上，塔段筒节进行对接，测量塔体筒体的直线度，直线度合格以后，采用8块拉筋板均布焊在组对环缝上并焊牢，之后再测直线度，直线度合格后方可焊接组对环缝。

装焊接管时，变形小的进行矫正，重新组装。如果坍塌、内陷比较严重，直接导致该节筒体报废，所以对于人孔和大接管集中在同一方位上进行安装时，采用“反变形”方法或者在接管焊接位置边缘200 mm处筒体内部打支撑的措施来预防焊接过程中或焊后造成的变形以及直线度偏差过大。

另外，在筒节端口比较临近的位置装有人孔或者大接管时，可以先在筒体上将孔开好，厂内不进行焊接，待现场环缝组装完成后在进行人孔和大接管的焊接。对此类问题我公司采取接管公称直径大于350 mm的接管在开孔位置距离接管边缘200 mm处装防变形支撑，防变形支撑有一字型、十字形、米字型，具体情况，具体分析，如图5所示。

图5 接管开孔处两边打支撑

3 结束语

随着化学工业生产的日益精细化、大型化，设备规格也发生着巨大变化，设备大型超限化是未来的必然趋势，大型筒体卷制精度控制问题一直以来都是比较困难的事情，但是只要在设计结构、制造和安装过程中严格把关、加强管理、增强责任心、严格使用防变形工装，就能解决这一问题。

筒体是设备主体重要部件，成型后的精度是否复合设计要求是保证设备生产制造完毕能否安全运行的前提，本文就大型PTA装置筒体卷制过程中出现的问题，结合多年生产制造经验，提出了防变形工装，保证其成型精度。

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Design of Anti-deformation of Large PTA Device Cylinder

1,1,2

（1. Gansu Special Equipment Inspection and Testing Institute, Lanzhou Gansu 730050, China;2. Gansu Petroleum Branch of Sinopec Sales Co., Ltd., Lanzhou Gansu 730030, China）

The problem of deformation in the forming process of the large chemical PTA device was introduced, and the reasons for these problems and the countermeasures were analyzed. And a new type of the cylinder body coiling anti-deformation tooling was putforward to solve the above problem.The application of this tooling greatly reduces the deformation of the cylinder body coiling. The new type of cylinder body coiling anti-deformation tooling can be debugged according to the diameter and length of the equipment, and another method of anti-deformation of the cone welding assembly was proposed. The design of the new type of tooling improves production efficiency, satisfies the requirement of water level after the cylinder body rolling, thus ensuring the manufacturing quality of the equipment.

PTA; Cylinder; Prevent deformation; tooling

甘肃省市场监督管理局科技项目 （项目编号：GZJ2017012、GZJ2017013）。

2020-07-30

张正棠（1989-），男，甘肃省兰州市人，工程师，硕士， 2016年毕业于兰州理工大学化工过程机械专业，研究方向：压力管道、压力容器制造、检验检测，非金属管道研究。

孙宝财（1981-），男，高级工程师，博士，研究方向：压力容器、压力管道检验检测，非金属管道研究。

TQ050.6

A

1004-0935（2021）01-0060-04