空分冷箱鋼結構損壞原因和修復探究

王瑞

摘要：目前，我國的經濟在迅猛發展，社會在不斷進步，由于長期運行，珠光砂保溫性能下降，以及管道和冷箱的距離之間的近距離，導致冷箱鋼結構與低溫管道之間的隔離不佳，會發生低溫冷脆，直接影響整體的安全運行。介紹了寶鋼2#空分冷箱在漏液和長期處于低溫區域引起的鋼結構斷裂后的分析，事故解決方案以及對冷箱隔離方式的探討。

關鍵詞：冷箱;鋼結構;低溫;斷裂;修補;隔離

引言

隨著中國制造業飛速發展，空分行業與國外企業合作的項目日益增多，國外客戶希望設備現場安裝簡單，施工周期短。整裝冷箱是在制造公司內制造完成、整體交貨的設備，目前已成為中小型空分設備用戶首選的冷箱類型。下面以福建巖興氣體有限公司（以下簡稱：福建巖興）4100m3/h液體空分設備為例，闡述空分設備整裝冷箱的材料選擇和結構設計。

1結構鋼材的代用原則

由于加工廠備料規格不能完全滿足設計要求，需要代用鋼材時，一般需與設計院共同研究，按下列原則進行：（1）代用鋼材的機械性能和化學成分應與原設計一致。（2）代用鋼材時，應認真復核構件的強度、穩定性和剛度，特別要注意因材料代用可能產生自重的增加和偏心影響引起的附加應力，也應該注意核算截面的其他力學特征（如慣性矩、抵抗矩、回轉半徑等）改變后的影響。在機械性能達到保證的條件下，還應兼顧同厚度、截面一致規格材料。（3）因代用材料可能引起構件之間連接尺寸有變動或與設計要求不符，設計者應在代用材料時給予合理的修改。（4）當鋼材規格（尺寸）與設計要求不符，需以小代大或以大代小時，要經計算符合要求后才能代用。代用鋼材時不可隨意以大代小，引起自重載荷增加，導致結構疲勞，應在可能的范圍內盡量做到使用上和經濟上的合理。（5）當鋼號滿足設計要求，而生產廠家提供的材質保證書中缺少設計提出的部分性能要求時，應做補充試驗，合格后方能使用。補充試驗的試件數量，每爐鋼材、每種型號規格一般不宜少于3個。（6）當鋼材性能滿足設計要求，而鋼號的質量優于設計提出的要求時，如鎮靜鋼代替沸騰鋼、平爐鋼代替頂吹轉爐鋼、優質碳素鋼代替普碳鋼（20號鋼代替Q235鋼）等時，應注意節約，不應任意以優代劣，使質量差距過大。（7）當鋼材品種不全，需用其他專業用鋼材代替建筑結構鋼材時，應把代用鋼材生產的技術條件與建筑鋼材的技術條件相對照，以保證代用的安全性和經濟合理性;普通低合金鋼需相互代用時，要十分謹慎，除機械性能應滿足設計要求外，在化學成分方面應注意可焊性。重要的結構要有可靠的試驗依據;需采用進口鋼材代用時，應驗證其化學成分和機械性能是否滿足相應鋼號的標準。

2空分冷箱鋼結構損壞原因和修復探究

2.1液體管道泄漏，導致冷箱凍裂

雖然在凍裂的冷箱板附近未發現有泄漏的液體管道，但從在上部結冰區域發現這一區域共有兩個閥門斷裂，758和791。分別是液體排放管和加溫管，由于這兩個斷裂的閥門靠的非常近，泄漏的液體被加溫管泄漏的氮氣蒸發變為氣體，所以在冷箱板上未發現任何跑冷和結冰現象。而未蒸發的液體向下，流至發生凍裂區域積聚。而隨后的二次捉漏，在副冷箱側上部6m左右發現一根不凝性氣體排放管有斷裂現象，而且斷裂處口徑較大，約3～4mm。雖然這是氣體排放管但管道內長期是氣液混合，長期的液體泄漏是造成冷箱凍裂的重要原因，而且從位置關系也可以對應起來，該處的液體橫向流動距離很短，泄漏點和凍裂處基本在同一垂直方向，因此這個泄漏點引起冷箱板開裂更有可信度。

2.2吊耳的設計

2段冷箱較重，自身重量加上內部塔器將近80t左右，根據標準《化工設備吊耳及工程技術要求》（HG/J21574—2008）需選軸式吊耳，但冷箱方管寬度只有200mm，直接按標準形式焊接則焊縫面積無法達到要求。因此設計時對結構進行適當的改變，將管軸直接插進方管內部，而不是焊接在方管上，最后對方管進行補強。

2.3主冷箱和副冷箱隔板長期處于低溫狀態，導致冷箱凍裂

開裂冷箱長期處于低溫區域，過冷器的工作溫度在-170℃，雖然有珠光砂保溫層，但長期處于這一溫度下，珠光砂溫度也會被冷卻至相當低，冷箱板通常使用Q235碳鋼，普通碳鋼耐低溫性能極限-20℃，如果低于這一溫度，會發生冷脆。而冷箱板發生斷裂最嚴重區域正是正對過冷器的區域。過冷器與冷箱板距離僅1m，長期的輻射換熱，導致冷箱板凍裂。

2.4鋼材的復驗

當鋼材屬于下列情況之一時，在加工下料前應按國家現行有關標準的規定進行抽樣檢驗，其化學成分、力學性能及設計要求的其他指標應符合國家現行標準的規定。進口鋼材應符合供貨國相應標準的規定。（1）國外進口鋼材;（2）鋼材混批;（3）板厚等于或大于40mm，并承受沿板厚方向拉力作用的厚板;且設計有Z向性能要求;（4）現行國家標準GB50017—2003中未含的鋼材品種及設計有復驗要求的鋼材;（5）對質量有疑義的鋼材。

2.5強度保證，原先工字鋼雖然有大面積開裂現象，但沒有錯位，所以只要將裂紋修補好即可

不銹鋼板將工字鋼全部包覆后，工字鋼原來的裂縫全部修補好，不銹鋼板也起到了補強的作用。原先立柱是采用28a的工字鋼雙拼箱型結構，截面積為55.404×2=110.808cm2。而本次不銹鋼在工字鋼的強側采用連續的鋼板修補，所以補強后承載能力加強，補強后截面積增加為158.808cm2（不計算Y軸上的不銹鋼面積）。計算后在X軸方向可以單位長度上承載能力為原來的1.25倍，Y軸方向為原來的1.22倍。

結語

整裝冷箱在荷載計算時需要進行吊裝工況的計算，而常規冷箱不需要。相比常規冷箱，整裝冷箱在成本、質量和生產周期等方面具有優勢。整裝冷箱運輸成本高，現場安裝成本低，質量有保證。

參考文獻

[1]嚴正庭.最新鋼結構實用設計手冊[M].南寧：廣西科學技術出版社，2003.

[2]崔佳.鋼結構設計規范理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

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