聚烯烃串管反应器运输吊装的组装技术

陈孙艺

(茂名重力石化装备股份公司,广东茂名 525024)

0 引言

聚烯烃串管反应器又称环管反应器,是多条细长夹套直管和180°回弯头串联,夹套直管之间通过连接梁支撑组装成框架或桁架的立式管柱钢结构形夹套容器,该反应器同时具有反应和换热功能,如图1所示。文献[1]基于其制造质量,综述了聚烯烃串管反应器的模块式组装技术;文献[2]中介绍了串管反应器拼接、吊装的施工方法、技术措施及安全措施;文献[3]中介绍了串管反应器框架、风载的确定及计算、荷载的确定及组合、结构设计计算方法等事项,这些方法及相关参数的选取对工地现场的吊装和安装方案的设计计算也具有参考价值。但是这些文献都没有考虑串管反应器的运输过程对模块结构的限制,也没有详细介绍串管反应器在工地吊装对模块结构的要求。文献[4-5]的文题名义上是大型压力容器的现场组装,实际上是组焊,其关于没有条件在工厂内组装焊接的超重、超宽、超长的大型容器产品转移到工地现场去组装焊接制造的技术内容,在概念上完全不是在工厂内全部组焊好的大型串管反应器而在现场不需要再焊接的组装技术。目前,纯粹以大型压力容器现场组装为主题内容的资料尚未见公开报道。

图1 串管反应器吊装现场Fig.1 Hoisting site of tandem reactor

近20多年来,在串管反应器模块的现场安装中,有项目因为现场安装技术方案不当而耗费工期长达2个月。从各种问题的总结中认识到,大型反应器长距离运输对其组装的要求与现场吊装对其组装的要求是两方面工作,而且两方面关系密切。吊装对组装的一些要求最好在运输装车时就能得到落实,可以说吊装对组装的要求对运输组装具有一定的指引作用,在符合交通规范的前提下,运输装车方案应尽量满足现场吊装的要求,为吊装质量和效率提供良好的基础。因此,业务相联的单位就串管反应器零部件的组装、运输和吊装施工应加强研究,协定交到现场的模块结构形式,对反应器的顺利安装很有意义。

1 基于运输安全的组装技术

串管反应器结构与常见的塔式反应器有着诸多不同,结构长径比较高而极易产生柔性挠曲,螺栓紧固件连接多而容易产生装配的累加误差或强力装配,还具有多波形膨胀节这一薄弱部位,存在于整体组对和吊装环节的一些技术难度,在运输环节会以其他的形式表现出来。基于运输的组装技术以安全为主要目的,具有过程的动态性和一定的难以预测性,又带有临时性,需要专业性强的公司执行。

1.1 陆路运输的临时组装

1.1.1 单条夹套直管装运

长距离运输常装运单条夹套直管,如图2所示。在细长夹套直管装车、卸车、转移、组装等过程中,使整条夹套直管保持平直状态的安全操作更加困难,位于夹套直管两相邻运输支座的间距中间的弯曲位移往往是最大的,对设置于其中的膨胀节损伤也大,而位于夹套直管两端的弯曲位移一般都是最小的,因此要关注膨胀节的保护。

图2 单条夹套直管装运现场Fig.2 Shipment site of single jacket straight tube

悬臂的许可长度应该经过力学计算校核确定,其中涉及路况、车速、结构尺寸及自重等因素。单条夹套直管装运时,夹套直管全长被运输鞍座分为支承段和悬臂段两大部分,如果不考虑受力模型中支承段对悬臂段的影响,把端部的运输鞍座和捆绑件对夹套直管的作用视作固支,则固支的悬臂段模型较为符合装车实际,而且计算结果将略偏保守。悬臂段的自重静载荷受力模型如图3所示,结构强度可按均布载荷下受约束悬臂梁分析,关键技术有如下5点。

图3 悬臂段静载荷受力分析Fig.3 Force analysis of static load of cantilever section

(1)在计算夹套直管的抗弯刚度或抗弯截面系数时,其组合结构横截面对中性轴的惯性矩可参考GB/T 150.1—2011《压力容器 第1部分:通用要求》中复合钢板许用应力的计算方法,以及文献[6]中关于薄壁内衬复合管壳泊松比和加权平均密度的确定方法,并结合工程经验按下式进行计算:

(1)

式中,I为夹套内管和外管的组合惯性矩;∂为夹套结构紧密系数,基于夹套内垫块结构形状、分布状况、组焊形式、尺寸和装配间隙等因素和工程经验来确定,通常不超过0.9;Ii为夹套内管的惯性矩;Io为夹套外管的惯性矩;δi为夹套内管的壁厚;δo为夹套外管的壁厚。

(2)装车时充分利用夹套外管上的支梁座作为支承点,使受力模型符合自重引起的均布载荷q=mg/L的特征。自重产生的最大弯矩作用在固支点处截面上,计算式为:

(2)

(3)以外管上的支梁座作为装车的支承点时,将除考虑夹套直管悬臂段沿长度L均布自重的静力作用外,还考虑运输中动态荷载的影响,受力模型如图4所示。

图4 悬臂段动态荷载受力分析Fig.4 Force analysis of dynamic load of cantilever section

动态荷载分为一般和特殊两种情况。一般情况下按简化模型(见图4(a)),考虑悬臂段自重m及其偶遇路面凹坑时垂直加速度在质心位置0.5L处所引起的垂直载荷F的作用,垂直加速度最大值取自由落体加速度g时的计算式为:

F=mg

(3)

产生的力矩:

(4)

也可以按细分模型(见图4(b)),考虑离根部支点距离为xi处1个长度单位的悬臂段自重mg/L,偶遇路面凹坑时垂直加速度引起的垂直载荷Fi产生的力矩:

(5)

式(5)和式(4)的结果一致,说明细分模型与简化模型(见图4)等效。虽然式(5)和式(4)的结果也和式(2)的结果一致,但是并不能说明图4模型与图3模型是等效的,因模型的性质不同,图4模型是偶然出现的,图3模型是必然存在的。

动态荷载在特殊情况下则考虑设备悬臂段较长时间在凹凸不平路面运行时颠簸疲劳的影响,可引入载荷谱进行分析,这种情况尚无先例。两种动态荷载的影响都可以采用有限元模型进行更深入地分析,且通过控制该运输过程为低速行驶而可降低上述计算式中垂直加速度的取值,降低了悬臂段承受的力矩,从而使不良影响得到缓解。

(4)以另外设计制造的运输鞍座代替外管上的支梁座作为装车的支承点时,支梁座成为模型中的一个集中载荷,模型载荷除考虑夹套直管悬臂段沿长度L均布自重的静力作用外,还应考虑支梁座这个集中载荷,在基于细分模型(见图4(b))计算弯矩时,式(5)中最后一个等号的右边将由不只一项组成,悬臂段全长的均布载荷中间将加上一个集中载荷,两种载荷分别按各自在模型上所分布的位置计算。

(5)夹套直管下部的刚性环安装支座尺寸庞大而且其较大的自重容易成为集中载荷,通常将这一段放置在车板上,车板支承安装支座。因此带多波形膨胀节的顶段就成为悬臂端,膨胀节与安装拉杆的环板之间要全焊透,需要锁紧所有防护拉杆的内外定位螺母。防护拉杠的结构性能和强度也应经过计算校核,且满足运输过程的防护要求。

1.1.2 悬臂装运的加强技术

式(4)或式(5)的弯矩产生的最大应力也位于固支处截面上,与式(2)弯矩产生的应力相加即是固支处截面的最大组合应力。在这些公式中,悬臂段长度L对弯矩及其应力的直接影响是线性正比例的,通过移动运输鞍座的位置或增加运输鞍座的数量来调整悬臂段长度L,即可控制最大组合应力不超过结构材料的许用应力,确保组装方案的结构强度足够。当计算校核初步组装方案的结构强度不足时,一般不采用结构加强的对策,以免增加型材的消耗。

悬臂装运的另一项加强技术是双夹套直管组合装运。图5示出通过支梁座临时把两条夹套直管连接到一起,组成抗弯防振的新结构,取得类似于一双筷子不易折断的效果。一车装运两条夹套直管的方案通常在短距离运输中使用。

图5 2条夹套直管装运现场Fig.5 Shipment site of two jacket straight tubes

1.1.3 分段装运

图6、图7所示的分两段制造再连接起来的方案是专门为了便于运输而设的,应在预组装检测合格后的分段接口标记上对中符号,以便异地重新组装时作为基准。

图6 分段对焊组装Fig.6 Sectional buttwelding assembly

图7 分段法兰组装Fig.7 Sectional flange assembly

1.2 陆路运输的永久组装

(1)用于安装的局部模块的组装。

图8所示为U形片状模块式装运方案,因为一次运输多个零部件而提高运输效率,还省去了内管连接弯头、夹套连通管的拆卸和重新装配,从而提高工程效率,也避免在现场重新组装时对质量的不良影响,但模块外形尺寸较大,受限于交通管制,不宜长距离运输。

图8 U形片状模块装运现场Fig.8 Shipment site of U-shaped sheet module

(2)用于安装的整体装运。

图9所示的4条或6条夹套直管立体大模块式装运效率最高,省去大量的零部件拆卸、包装和再装配工作,完好地保持在制造厂组装的质量,但是需要保证沿途安全运输的可行性,实现预期的工程效率。

图9 反应器整体组装运输Fig.9 Overall assembly and transportation of reactor

2 基于吊装施工的高效组装技术

文献[7]中分析的风筒类设备具有直径小、管壁薄、管筒长、易变形等特点,与串管反应器的一根夹套直管在结构上是较为相似的,其吊装难度及技术值得借鉴。但是基于安装施工的组装技术更注重安装质量的可靠性和高效性,与吊装的反应器模块结构、技术装备、工地环境及施工技术等因素有关,串管反应器的吊装从来不采用逐条夹套直管吊装的方案,而是采用模块吊装的方案,大体上分为局部模块组装和整体组装两种。

2.1 现场U形片状模块的吊装及其对组装的影响

(1)片状模块的组装。

文献[8]中针对某20万t/a串管反应器的结构特点,对单条夹套直管吊装、2条夹套直管组装成U形片状模块吊装,以及4条夹套直管组装成三维结构吊装等3种吊装方案进行比较分析,指出各方案的优缺点,确定采用2条夹套直管组装成图10所示U形片状模块吊装方法吊装2台反应器。类似的吊装现场如图11(a)所示,由图中可见第1件模块上、下两侧面的支梁座等附件结构的伸出长度略有区别。最后一片模块吊装后如图11(b)所示,由图中可见后面一件模块的吊索可能会受到前面一件模块的阻碍,因此组焊到模块上的主吊耳和尾吊耳在方位上有明确规定,要避免组装错误。

图11 U形片状模块吊装现场及受力分析Fig.11 Hoisting site and force analysis of U-shaped sheet module

(2)片状模块吊装效率的提高。

一方面优化吊点。在石油化工装置中,设备吊装一般常将主吊耳、尾吊耳分别设置在设备的首、尾两端,细长设备吊装时容易产生较大的挠度和变形,文献[9]则在串管反应器U形片状模块的上部设置4个吊点,可以大大减少设备因自重引起的挠度变形,设备不易发生偏斜,确保了吊装质量和吊装效率。这一方法在大型串管反应器得到广泛应用,取代了图11(a)所示的上部只设置2个吊点法。

另一方面优化吊具。文献[10]中介绍了兰州石化60万t/a乙烯技术改造工程中30万t/a聚丙烯装置串管反应器的吊装及吊装过程中因中外标准的差异产生的问题及其处理情况。由于设备制造方意大利Tecnimont公司是按照国际施工规范结合欧洲标准对设备的吊装提出要求,吊装用的设备(吊耳及平衡梁)的设计也按照上述标准进行,而国内的吊装机具与制造商提供的设备(吊耳及平衡梁)存在不能配套使用的问题,国内安装单位提出的吊装技术方案在2台反应器吊装中所用工期为12天,此前采用2条夹套直管组装的U形片状模块吊装方法吊装2台反应器,所用工时曾达约25天。

(3)片状模块吊装的局限。

分析串管反应器传统的吊装施工,其技术改进重点不在模块的组装上,存在几个问题:①主体吊装方案大同小异,没有从施工方法的改变及技术本质的升级上达到提高效率和效益的目的,反应器整体结构客观上存在的精度偏差随着零部件及其组装工序呈分散性,难以集中在某一结构位置及某一工序一次性处理,分散的偏差会被累积到最后,成为安装时难以处理的问题;②相同的吊装方案或相同的施工企业、施工技术及装备,也可能会出现不同的吊装、组装偏差;③不同吊装方案或不同施工企业因施工技术及装备的差异,导致具体方案中吊具和吊耳结构功能的差异,不同项目在关联吊耳结构、质量及安全标准方面不统一,组焊在顶部的多个大吊耳的质量通常难以在整体结构模态分析及应力分析设计中准确考虑,需要依据吊装组装经验预先假设确定;④串管反应器有别于其他大直径壳体反应器的一个特点,就是其建造过程多个环节存在预组装工序,现场组装技术方案主要基于工地施工条件编制而成,没有把前面的设备设计、制造、预组装检测及运输等过程对安装相关技术的交互影响关联到一起,难以起到前后环节互补的作用。

石油化工设备安装过程中的吊装是一项极为重要的技术。欧美很多国家对于大型化设备基本采用的是整体吊装,将所有的塔内附件均在地面安装完成后进行整体吊装,而我国大型化、特种化石油化工设备的重量越来越大,高度也越来越高,安装的难度也随之加大,十几年前大多采用的是分段吊装,造成了一系列问题的产生[11]。因此,串管反应器传统的模块吊装过程组装的方案需要在实践中不断向整体组装后吊装的技术方向探索,引领组装技术的发展,才能在国际市场上具有竞争力。

2.2 现场整体三维立体结构吊装

(1)整体吊装的条件。

首先是现场具有相应的吊装能力,主要包括主吊机械和副吊机械,广义上则包括吊梁、吊耳及索具等配套能力。其次是现场有足够的作业空间,安全的作业空间由串管反应器整体及其加强结构的外形尺寸,以及吊装机具的运转空间需求共同确定。在原有装置周边新建、扩建、续建或是改建新的装置时,施工现场的吊装空间是有限的。再次是经验丰富的吊装技术队伍,包括相应技术素质工程技术人员、指挥吊装人员及操作工人等。最后是可靠的吊装技术方案,串管反应器整体防吊装变形控制可通过吊装过程仿真分析及局部薄弱结构的加强等对策来实现,优化的方案通常来自多种吊装方案的比较和反复修订。在结构自重和吊装过程外来载荷动态组合作用下,各夹套直管之间通过复杂的主体结构和辅助结构交互牵连,必须通过有限元数值分析技术才能进行整体吊装方案的设计校核。

(2)早期对整体吊装的分析。

文献[8]中指出4条夹套直管组装成三维立体结构吊装的方案存在4个缺点:①吊装重量大,狭窄的施工现场很难满足吊装要求;②在地面组装时会占用较大的施工场地,在地面上卧式组装为“口”字型结构施工难度也较大;③夹套直管之间所有H型钢连接梁上的螺栓都是安装螺栓,设计要求吊装就位前不允许焊接固定连接梁,两铅垂面内的所有连接梁均为平行杆结构,吊装时上下两个平面会产生错动,形成平行四边形结构,从而不利于反应器的吊装与就位;④两个顶部180°回弯头无法随筒体一起吊装,需另外设置吊点、吊具,从而增加了施工成本。

(3)接近整体吊装的主体吊装实践。

文献[12]中对串管反应器现场整体组装后的吊装方案进行了分析,并在中国石化海南炼化公司20万t/a聚丙烯串管反应器的吊装中,把4根管径609 mm、长39 000 mm的夹套直管在现场卧式组装成外形尺寸为4 800 mm×4 800 mm×39 000 mm的主体。为了保证整体的组装精度,卧式组装中也装配了3件180°的回弯头,然后拆卸下弯头,利用安装在夹套直管顶部法兰上的盲板盖附带的板式吊耳,成功地吊装了只有夹套直管的反应器主体,最后再3次吊装主体顶部的回弯头。这一实践由于整体结构不完整,以及现场需要对3件大弯头进行组装、拆卸再组装,离一次性整体吊装反应器尚有差距。

(4)整体吊装的技术进步及应用。

文献[13]根据串管反应器需要现场组装后再吊装安装的工程实际,指出组装工艺视吊装方案的不同也各有差异,一般采用整体组装和分片组装两种吊装工艺。由此表明整体吊装的可行性,两种吊装方案都得到了业内认可。鉴于文献[12]只针对反应器主体吊装,未能对反应器整体进行一次性吊装的不足,实践表明串管反应器最佳的吊装技术是一次性整体吊装技术,该技术关键应在反应器结构设计和强度校核时就作为必须考虑的因素,为无损安装铺垫好技术基础,当反应器设计技术文件中没有关于设备吊装和安装方面的规定时,现场的吊装和安装方案也应经过反应器设计方的会审。

整体组装运至现场的建造形式具有明显的优点:确保反应器在现场安装的尺寸精度更高,明显缩小现场组装夹套直管所需要的场地面积及其他场地条件,减少现场组装夹套直管的环节,提高运输效率和现场施工效率,整体结构刚度和强度的抗损伤能力强,最大程度保持反应器的结构完整性,是该反应器建造技术发展中应有的创新举措,代表国际先进技术的发展趋势。为此需要采取一系列技术对策:确保螺栓连接节点强度,增强防止结构错动的定位,加强吊装过程动态监测。2022年,国内先后两次分别起吊由4条和6条夹套直管组装的串管反应器整体(见图12),均一次性吊装成功,安装过程顺利,只需1天工期。这两次实践表明了串管反应器在制造厂整体组装后再整体短距离运输并整体吊装的可行性,这一工程建设新形式在国内还是领先的。

(5)整体吊装的技术创新。

2023年1月,天津石化50万吨INEOS工艺HDPE环管反应器整体模块化设计制造运输吊装方案评审会在茂名召开,来自业主、工程建设公司、重型起重运输公司、施工建设公司和设备制造厂的专家学者对方案进行了认真细致的论证和评审。这是世界上HDPE环管反应器整体模块化设计制造、运输吊装的最新技术,也是整体模块化建造的最大的一套环管反应器,于当年顺利实施,标志着国内烯烃装置环管反应器的设计制造、运输安装模式的又一个里程碑。

3 附件的设计及组装

从作业的主线及重要性来看,吊具的设计制造及附件的安装虽然不是组装技术的主要内容,也对反应器组装的安全和效率有明显的影响。反应器分片组装后进行安装的吊耳结构禁忌选用图13所示的轴式吊耳,其结构复杂、强度过剩、焊接容易导致夹套主体的变形,难以修复,结构又引起夹套原结构形状的显著突变,尤其是在每一条夹套直管的顶部增加了不容忽略的集中质量,地震载荷作用时该集中质量增大了顶部的横向惯性,在反应器自重作用中增加了弯矩。反应器设计中如果没有考虑诸多吊耳的集中质量,所做的模态分析将偏离实际,其结果失去可靠性,危险工况下反应器的安全性难以判断,总的判断这种吊耳值得商榷的因素较多。

图13 轴式吊耳Fig.13 Axle lug

对此,设计分析中应预计适当的吊耳重量,吊装专业应优化设计吊耳。文献[13]中以某工程20万t/a 聚丙烯装置第一/第二串管反应器吊装用的吊耳及平衡梁的设计选型为例,论证吊耳的设计和平衡梁的选用,建议吊耳结构选用捆绑式和焊接板式两种形式,其中捆绑式吊耳不需要再在反应器本体上焊接其他辅助性设施,吊装准备工作量较少,是较为适当考虑的吊耳结构。具体的捆绑式吊耳最好是可拆式组装结构[14],组装时通过螺栓连接,螺栓连接的不是吊耳和反应器之间的结构,而是吊耳本身的组合结构,螺栓主要起组合吊耳的组合和定位作用,但螺栓不直接承受反应器自重,可拆吊耳在拆卸后应检测确认无损伤,妥善保管、反复使用。板式吊耳可选用HG/T 21574—94《设备吊耳》中的TP型,除吊耳板材质、焊接位置及要求、强度计算校核外,还要结合平衡梁的设计选型、索具的规格型号及长度等综合考虑。

4 结语

串管反应器是一种特殊结构的反应器,据粗略统计,国产化串管反应器已达200台(套),而且出口国外多个国家,在国际市场上已具有相当强的竞争力。反应器通过模块化预制是为了便于运输和现场安装,无论是预组装还是现场安装,质量技术的进步,都或多或少包含设备工程管理和设备技术创新两方面。

串管反应器的组装与吊装虽然都属于安装的部分内容,但是一方面两者的概念是有区别的,组装既有在地面的模块式组装,也有模块在高空中构成整体的组装;另一方面,两者的施工内容是交互影响的,局部组装或整体组装都是吊装的前提,而局部组装好的模块逐一吊装到框架上后也是进一步组装成整体的条件。原来在现场对反应器进行组装的施工内容已经可以前移到制造厂完成,现场的施工内容主要是一次性整体吊装,这一技术进步是不断地通过渐进的小步跨越来实现的,是衡量该反应器建造水平的重要标志。

这一技术进步的实践中既有工程技术管理对技术创新的引领,也有技术创新对工程管理的促进,行业内关联企业的通力合作、联创联用是提高安装质量的必要手段,也是一次性顺利安装的重要保证,是业内多方通过总结经验、开拓实践来共同丰富的。

这一技术进步的内容已成为关联到设备采购、设计、制造、组装、转运及吊装等环节的一体化过程,运输中的转运环节难度明显提高了,需要项目初始就预定最后的组装目标及其实现方式,以吊装环节的技术进步引领前面各环节的技术进步。

这一技术进步的应用带有条件适应属性,涉及到场地环境、起重机具、吊装方案及工程管理等因素,其中项目业绩和工程经验十分关键,成为与专利许可技术、标准规范同等重要的内容。