空分冷箱钢结构损坏原因和修复探究

王瑞

摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，由于长期运行，珠光砂保温性能下降，以及管道和冷箱的距离之间的近距离，导致冷箱钢结构与低温管道之间的隔离不佳，会发生低温冷脆，直接影响整体的安全运行。介绍了宝钢2#空分冷箱在漏液和长期处于低温区域引起的钢结构断裂后的分析，事故解决方案以及对冷箱隔离方式的探讨。

关键词：冷箱;钢结构;低温;断裂;修补;隔离

引言

随着中国制造业飞速发展，空分行业与国外企业合作的项目日益增多，国外客户希望设备现场安装简单，施工周期短。整装冷箱是在制造公司内制造完成、整体交货的设备，目前已成为中小型空分设备用户首选的冷箱类型。下面以福建岩兴气体有限公司（以下简称：福建岩兴）4100m3/h液体空分设备为例，阐述空分设备整装冷箱的材料选择和结构设计。

1结构钢材的代用原则

由于加工厂备料规格不能完全满足设计要求，需要代用钢材时，一般需与设计院共同研究，按下列原则进行：（1）代用钢材的机械性能和化学成分应与原设计一致。（2）代用钢材时，应认真复核构件的强度、稳定性和刚度，特别要注意因材料代用可能产生自重的增加和偏心影响引起的附加应力，也应该注意核算截面的其他力学特征（如惯性矩、抵抗矩、回转半径等）改变后的影响。在机械性能达到保证的条件下，还应兼顾同厚度、截面一致规格材料。（3）因代用材料可能引起构件之间连接尺寸有变动或与设计要求不符，设计者应在代用材料时给予合理的修改。（4）当钢材规格（尺寸）与设计要求不符，需以小代大或以大代小时，要经计算符合要求后才能代用。代用钢材时不可随意以大代小，引起自重载荷增加，导致结构疲劳，应在可能的范围内尽量做到使用上和经济上的合理。（5）当钢号满足设计要求，而生产厂家提供的材质保证书中缺少设计提出的部分性能要求时，应做补充试验，合格后方能使用。补充试验的试件数量，每炉钢材、每种型号规格一般不宜少于3个。（6）当钢材性能满足设计要求，而钢号的质量优于设计提出的要求时，如镇静钢代替沸腾钢、平炉钢代替顶吹转炉钢、优质碳素钢代替普碳钢（20号钢代替Q235钢）等时，应注意节约，不应任意以优代劣，使质量差距过大。（7）当钢材品种不全，需用其他专业用钢材代替建筑结构钢材时，应把代用钢材生产的技术条件与建筑钢材的技术条件相对照，以保证代用的安全性和经济合理性;普通低合金钢需相互代用时，要十分谨慎，除机械性能应满足设计要求外，在化学成分方面应注意可焊性。重要的结构要有可靠的试验依据;需采用进口钢材代用时，应验证其化学成分和机械性能是否满足相应钢号的标准。

2空分冷箱钢结构损坏原因和修复探究

2.1液体管道泄漏，导致冷箱冻裂

虽然在冻裂的冷箱板附近未发现有泄漏的液体管道，但从在上部结冰区域发现这一区域共有两个阀门断裂，758和791。分别是液体排放管和加温管，由于这两个断裂的阀门靠的非常近，泄漏的液体被加温管泄漏的氮气蒸发变为气体，所以在冷箱板上未发现任何跑冷和结冰现象。而未蒸发的液体向下，流至发生冻裂区域积聚。而随后的二次捉漏，在副冷箱侧上部6m左右发现一根不凝性气体排放管有断裂现象，而且断裂处口径较大，约3～4mm。虽然这是气体排放管但管道内长期是气液混合，长期的液体泄漏是造成冷箱冻裂的重要原因，而且从位置关系也可以对应起来，该处的液体横向流动距离很短，泄漏点和冻裂处基本在同一垂直方向，因此这个泄漏点引起冷箱板开裂更有可信度。

2.2吊耳的设计

2段冷箱较重，自身重量加上内部塔器将近80t左右，根据标准《化工设备吊耳及工程技术要求》（HG/J21574—2008）需选轴式吊耳，但冷箱方管宽度只有200mm，直接按标准形式焊接则焊缝面积无法达到要求。因此设计時对结构进行适当的改变，将管轴直接插进方管内部，而不是焊接在方管上，最后对方管进行补强。

2.3主冷箱和副冷箱隔板长期处于低温状态，导致冷箱冻裂

开裂冷箱长期处于低温区域，过冷器的工作温度在-170℃，虽然有珠光砂保温层，但长期处于这一温度下，珠光砂温度也会被冷却至相当低，冷箱板通常使用Q235碳钢，普通碳钢耐低温性能极限-20℃，如果低于这一温度，会发生冷脆。而冷箱板发生断裂最严重区域正是正对过冷器的区域。过冷器与冷箱板距离仅1m，长期的辐射换热，导致冷箱板冻裂。

2.4钢材的复验

当钢材属于下列情况之一时，在加工下料前应按国家现行有关标准的规定进行抽样检验，其化学成分、力学性能及设计要求的其他指标应符合国家现行标准的规定。进口钢材应符合供货国相应标准的规定。（1）国外进口钢材;（2）钢材混批;（3）板厚等于或大于40mm，并承受沿板厚方向拉力作用的厚板;且设计有Z向性能要求;（4）现行国家标准GB50017—2003中未含的钢材品种及设计有复验要求的钢材;（5）对质量有疑义的钢材。

2.5强度保证，原先工字钢虽然有大面积开裂现象，但没有错位，所以只要将裂纹修补好即可

不锈钢板将工字钢全部包覆后，工字钢原来的裂缝全部修补好，不锈钢板也起到了补强的作用。原先立柱是采用28a的工字钢双拼箱型结构，截面积为55.404×2=110.808cm2。而本次不锈钢在工字钢的强侧采用连续的钢板修补，所以补强后承载能力加强，补强后截面积增加为158.808cm2（不计算Y轴上的不锈钢面积）。计算后在X轴方向可以单位长度上承载能力为原来的1.25倍，Y轴方向为原来的1.22倍。

结语

整装冷箱在荷载计算时需要进行吊装工况的计算，而常规冷箱不需要。相比常规冷箱，整装冷箱在成本、质量和生产周期等方面具有优势。整装冷箱运输成本高，现场安装成本低，质量有保证。

参考文献

[1]严正庭.最新钢结构实用设计手册[M].南宁：广西科学技术出版社，2003.

[2]崔佳.钢结构设计规范理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

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