大型乙烯裝置冷箱殼體制造工藝研究

鄔依婷徐懿楊薇陳濤

（1.杭州杭氧鋼結構設備安裝有限公司 2.杭州杭氧石化工程公司 3.杭州市特種設備檢測研究院）

0 前言

乙烯冷箱是乙烯裝置中的關鍵設備之一，用于降低工藝物流的溫度，以便低溫回收乙烯和提濃氫氣，降低CH4/H2濃度分子比，提高乙烯回收率。通常，乙烯冷箱工作在+40～-170℃范圍內。冷箱實質上就是換熱器加上必要的分離器，并用一鋼制保溫殼包裝起來，內部空間填滿珠光砂等絕緣材料以減少冷量損失。乙烯裝置的大型化是當今世界的發展趨勢。目前商業化的乙烯裝置規模最大的是加拿大NOVA廠140萬t／a乙烯裝置，我國已投產的生產能力最大的乙烯裝置是天津石化100萬t／a乙烯裝置和鎮海煉化100萬t／a乙烯裝置。大型乙烯裝置如圖1所示。

圖1 大型乙烯裝置

大型乙烯裝置，其單位產品投資省、成本低、效益好，優勢顯而易見。因此乙烯冷箱大型化也是目前國內外發展的主要方向。自開發研制國產化乙烯冷箱以來，杭氧集團基本上適應了國內乙烯裝置改擴建的需求，設計制造規模由30萬t/a提高到100萬 t/a。

1 制造難點

1.1 大幅面板的平整度要求

冷箱是一個長方體，內部為型鋼構成的骨架，每個面采用大幅鋼板蓋面，各箱板與冷箱骨架為焊接結構。冷箱露天放置，常年受到風吹日曬雨淋，因此冷箱一般在其外表面噴砂后刷底漆、中間漆和面漆，而內表面噴砂后涂底漆。為保證冷箱板受力均勻、外表美觀和油漆附著牢固，冷箱板有一定的平面度要求。冷箱底板的平面度會影響落在基礎上的設備垂直度，對設備內尤其是板式塔上的液體分布有影響，所以要求較高。

1.2 冷箱的密封性要求

由于乙烯冷箱內設備主要介質為甲烷、乙烯、丙烯和氫氣等可燃氣體，它們在高壓低溫下工作，任何微量的泄漏都有可能在冷箱內某個部位積聚，有可能發生冷箱爆炸從而引起整個乙烯裝置冷區的爆炸，所以對冷箱的密封性有一定的要求。

1.3 整體運輸的特殊考慮

乙烯冷箱內部管道復雜，材料特殊，一般為鋁合金材質，有時為不銹鋼材質并包含鋁和不銹鋼過渡接頭。冷箱在制造商工廠安裝時一般采用水平方式安裝，以便于管道焊接，這樣整體組裝質量容易控制。在用戶現場安裝一般采取豎直安裝，水電氣條件更適合鋼制容器和管道的安裝，所以在允許的情況下盡量選擇制造商工廠內部安裝。這樣就必須將冷箱整體吊裝和運輸。由于冷箱內設備復雜，有時一臺冷箱內多達20多臺大小各異、形狀不同的設備，整臺冷箱重心不易控制，且單臺冷箱重量超過300 t，冷箱整體吊裝及運輸十分困難。

2 解決方案

2.1 制定特殊型材制造工藝

大型乙烯冷箱中，需要一些特殊規格的型材，這些型材按常規一般無法直接采購到，因此公司就采用板材折邊或拼接自制而成。但由于某些原因，經過一段時間后這些自制的型材出現了結構彎曲變形，影響了整體質量，以致需要整改，在現場重新切割拼接制造，從而產生了一些不必要的人力、物力和財力損失。針對這一問題，公司特制定了型材制造工藝，主要是針對制造過程中容易出現的問題進行工藝的規范統一。其主要內容包括以下幾點：

（1）根據圖紙尺寸備料，采用剪板機或等離子切割下料，鋼材切割邊緣或斷口處不應有分層、夾渣等缺陷。

（2）按圖2所示的坡口形式切割出H型鋼腹板和翼板拼接處的焊接坡口并磨平。

圖2 H型鋼焊接坡口形式

（3）型鋼拼接工藝采用手工弧焊，焊機直流反接，保證焊接質量。在制造過程中，為有效控制焊接變形，先將翼板點焊在制造平板上或用壓板將板兩頭壓緊。

2.2 冷箱穿出結構設計及焊接質量控制

為使焊縫滿足熱脹冷縮的要求，各箱板間的連接處內側為間斷焊；為保證整個冷箱的氣密性要求，冷箱外側為連續密封焊，施焊時焊接坡口須去除表面油漆。所有焊接采用手工電弧焊，冷箱骨架的柱、梁、斜撐、加強板等連接處均為連續焊接，冷箱骨架的柱、梁、斜撐等與面板接觸處的焊縫均應磨平。筋板應在焊接時配制并修正，焊接后校平整，并校正對角線和垂直線以及平面度。冷箱面板拼接應整齊美觀，內側與柱、梁、斜撐拼接處的焊縫應磨平，清除焊渣和毛刺。珠光砂放出口、接地板在冷箱就位后由用戶進行施焊，面板及冷箱骨架兩側刷上面板編號，以方便冷箱總裝。

一臺復雜的大型乙烯冷箱約有60條進出管線，因此冷箱管線的傳出結構直接影響了冷箱的密封性。針對冷箱在低溫下操作的特點，部分管道在操作狀態下由于冷縮而產生位移，因此需要采取一些有效措施，例如采用特殊的柔性結構。如圖3所示，可采用橡膠套、墊木以及不銹鋼帶作固定物，內部填充礦渣棉，這樣既能夠讓管道自由移動，又可以保證冷箱密封性和絕熱性，減少冷量損失，杜絕冷箱壁結霜而凍裂的現象。

圖3 接管穿過冷箱板

2.3 整體吊裝結構

大型乙烯冷箱內部包含超過20臺大小不同、形狀各異的壓力容器，內部重量分布不均勻。以某冷箱為例，由于冷箱的重心不在其外形的幾何中心，在吊裝過程中各吊點所承受的力也各不相同。

吊裝過程中，冷箱與水平面的夾角α從0°至90°的整個過程各個吊耳承受的力在不斷變化，各個階段的受力分析如圖4所示。在設備進入直立狀態之前，受力吊耳由冷箱頂部下面①、②號兩個吊耳和尾部上面⑤、⑥號兩個吊耳承擔。當設備達到直立狀態時，副吊車松鉤，設備重量由冷箱頭部①至④號四個吊耳承擔。設備從抬頭到直立狀態過程中，③、④號吊耳上吊索處于松弛狀態，需要用繩索將其固定，防止吊裝過程中吊索脫離該吊耳。

冷箱的受力可按下述各式來分析 （角度為α）：

圖4 受力分析

起吊過程中各吊點受力大小如表1所示。

表1 起吊過程中各吊點受力分布 （單位：kN）

大型乙烯冷箱整體采用吊耳吊裝，但其吊耳與一般設備的吊耳采用的圓管不同，因為冷箱質量超過300 t，起吊時的剪切應力很大，所以采用高強度的圓鋼，并將圓鋼深入框架內部，與內部鋼梁形成一個整體，有效提高了吊耳的抗剪切能力。實踐證明，該吊裝結構使用良好，冷箱剛性足夠。

3 結論

本文論述了大型乙烯冷箱制造工藝，解決了冷箱板垂直度和平面度的問題，通過了冷箱的氣密性試驗。305 t質量的冷箱一次起吊成功，冷箱無明顯變形，剛性足夠。大型乙烯冷箱制造工藝的實施，在減少產品制造成本的同時，大大地提高了生產效率和產品質量，適應了大規模乙烯裝置中大型設備生產的需要。該百萬噸乙烯裝置冷箱目前已在用戶現場正常運行超過3年，使用情況良好。該冷箱的制造工藝有較好的推廣應用價值。

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