大型空分装置冷箱施工技术及应用前景

大型空分装置冷箱施工技术及应用前景

顾建

上海汀滢环保科技有限公司    上海 201700

摘要：空分装置是目前煤化工、化肥、甲醇、钢铁企业中必不可少的公用动力装置，空分装置的核心就是冷箱，包括冷箱体、冷箱体内的设备精馏塔、主冷凝蒸发器工艺管道等。目前国内设计的空分装置无论从装置的设计结构上还是现场的安装施工方面，全部都是遵循着冷箱体与箱体内的设备从地面低处往高空分段垂直施工的设计和安装理念，先施工箱体后安装箱体内的设备，最后才进行冷箱内的配管。而我在这里主要介绍在不改变工艺流程，从设计和施工方面在国内首创采取了使冷箱能够在地面卧置状态下分模块进行设备安装和工艺配管施工，箱体与设备配管卧置施工的理念，其目的是为了减少冷箱安装高空作业数量提高安全系数、降低施工质量检查难度和减少大型吊装机械使用台班数量等方面，进而达到降低安全风险、保证施工进度和质量、提高经济效益。

关键词：空分装置；冷箱；卧式

Construction technology and application prospect of cold box in large air separation unit Gu Jian

Abstract: the air separation unit is an essential public power unit in coal chemical industry, chemical fertilizer, methanol and iron and steel enterprises. The core of the air separation unit is the cold box, including the cold box, the equipment distillation tower in the cold box, and the process pipeline of the main condensation evaporator. At present, the design structure of domestic air separation unit and the installation and construction on site all follow the design and installation concept of vertical construction of cold box and equipment in the box from low ground to high altitude. The box is constructed first, then the equipment in the box is installed, and finally the piping in the cold box is carried out. Here, I mainly introduce the concept of not changing the process flow, from the design and construction aspects, to make the cold box can be pided into modules for equipment installation and process piping construction under the ground lying state, and the box and equipment piping horizontal construction concept is to reduce the number of high-altitude operation of cold box installation, improve the safety factor, reduce the difficulty of construction quality inspection and reduce the difficulty of construction quality inspection In order to reduce the safety risk, ensure the construction progress and quality, and improve the economic benefits, we should reduce the number of large hoisting machinery.

Key words: air separation unit; cold box; horizontal type

1．项目概况

某公司年产100万吨合成氨、100万吨尿素、120万吨联碱项目配套的单套63000m3/h空分装置冷箱的主要结构、设备及其参数见表1。

表1 冷箱的主要结构、设备及其参数表

2．施工工艺

高低压分段到货，在预制场地面进行水平分段组对焊接成整体，然后再进行附塔管道安装及附属设备安装，其中管道在预制场已进行70%以上预制深度的预制，同时冷箱外壳分五段在预制场使用倒装方法进行制作。两段同时进行制作，最下段在基础上进行制作安装。附塔管道在地面水平安装90%以上，水平管道安装完成后进行管道及主塔联合试压。试压合格后进行主塔的高压塔段及管道的分割，分割位置在27.4m处，同时在冷箱基础上安装外壳至 28m 高度后进行主塔下段吊装，再搭设脚手架找正找平后，进行主塔上段吊装及空中组对工作。副冷箱先水平卧式焊接钢结构及支撑梁，然后进行内部低压、高压换热器的安装，以及副冷箱板的焊接、工艺配管，管道施工完后在水平卧式状态下进行副冷箱内设备、管道的试压，试压合格后再进行吊装立置就位。

3．施工前准备要点

3.1审核图纸，主要核对设备、管道支撑系统。审核图纸时要求在垂直于换热器的两根正式承重主梁的侧面设计四个挡块，同时还要在换热器下端的两根正式限位钢梁处设计四个挡块，这样才能保证设备的配管和调转按照过程的稳固。

3.2核查施工图纸中副冷箱内管道由垂直空间施工改为水平卧式施工时因受力方向改变所需增加的临时支撑结构是否设计到位，如设计不够则要根据受力改变情况在原支架所支撑管道上增加与原支撑方向垂直的临时支架，也可根据现场情况将正式管支架中的活动架、预留管道收缩量的管架暂时紧固到位成固定管架，并做好该批管架的编号，待副冷箱由水平卧式施工完吊装立置就位后，根据已做的施工记录将该批管架改回正式的活动管架。

3.3核对施工图纸，计算副冷箱以及内部的设备、管道，还有主塔及其附属的设备管道在水平卧式施工完后的重心是否基本在吊点中心，以便在冷箱整体吊装时提前做好施工预案，避免发生主塔或副冷箱吊偏斜不便于就位的情况。

3.4由于主塔附属设备管道在水平卧式施工完后，需要穿越一段主冷箱筒壳吊装立置就位，以及主冷箱上段简壳需要套扣在已组对好的主塔的上塔段外围，因此需要在正式预制安装主塔附属设备、管道、桥架前复核管道与主冷箱筒壁的有效空间距离，如不能满足吊装所需的有效安全距离，则需要提前联系设计方修改配管或桥架布置，以满足施工需要。

4、施工要点

4.1副冷箱水平卧式施工的要点

（1）副冷箱内换热器安装存在立式垂直度的安装精度要求，整个副冷箱在水平卧式状态下将内部管道施工完后才进行吊装立置就位，此时冷箱内的换热器由于已全部配管无法再调整垂直度，只能靠副冷箱基础柱脚板的找平来大致调整副冷箱整体的垂直度。因此，为避免在正式就位安装时出现换热器垂直度不合格问题，冷箱框架结构预制拼装的场地必须经硬化、平整处理，冷箱框架钢结构的拼装偏差必须在下表2的控制范围内。

表2 钢结构安装允许偏差表

（2）冷箱框架结构按（1）条要求拼装完验收后，必须由多名焊工对称焊接防止发生焊接变形，在框架结构所有焊接工作结束后才具备安装换热器的条件，换热器安装时应从两个互相垂直的方向测量其水平度（吊装立置时就等于是其垂直度），并且要求调整同一冷箱内的各换热器的两方向水平度偏差朝向同一方向，换热器壁与冷箱壁保持平行，换热器水平度调整到位后才紧固换热器支座螺栓，最后在承重主梁和限位梁上焊接换热器的限位挡块。

（3）换热器安装完后的管道施工应遵循先主管道、后支管施工，先不锈钢管道、后铝镁合金管道施工的程序，在管道施工过程中先安装设计的正式支架，在正式支架不能起到水平卧式状态下的支撑作用时再进行临时管支架的施工，临时管支架施工也应保证牢固可靠。

(4)副冷箱的各垂直主柱下底面至换热器的支座距离要求相等，副冷箱基础柱底板必须用水准仪统一找平后用无收缩灌浆料进行二次灌浆，然后才能进行副冷箱及其内部设备、管道的吊装立置就位，这样能缩短冷箱体、换热器的找垂直度时间。

4.2主冷箱的施工要点

（1）下塔与上塔（带主冷凝蒸发器）两部分组成，由于主塔外形尺寸为Φ4000mm×61600mm，超长、超重无法整体运输，施工现场分五段到货，因此，需要在现场进行地面水平组对焊接，然后才能进行工艺配管。为了便于现场的组对方位精确、垂直度质量有保证，在塔体27.4m

处设置有多对组对定位块，定位块上带内螺纹螺栓孔，在大型吊车的协助下初组对方位后将配套螺栓拧入定位块螺栓孔，通过调整螺栓就能达到精确定位和准确的组对塔垂直度，此时要及时将主塔下部的各鞍座调整到位，使各鞍座均匀受力不发生主塔鞍座支撑点悬空现象，避免塔体发生永久变形。

（2）主塔水平卧式组对后即可进行下一步的附属设备、管道的施工，主塔水平卧式组对时需要用鞍座将主塔垫高 1.5m ～2m离地距离，便于管道、桥架施工。

(3)主塔施工的原则是先安装附塔的设备支架，如气液分离器设备支架，下塔回流上塔的液空、液氮、污液氮等大口径管道的支架，然后进行大口径主管道施工、小口径管道施工、仪表桥架施工、仪表管施工等，管道施工前搭设好临时脚手架管，待管道与设备口全部碰头焊接完、管道支架安装到位后，拆除临时脚手架平台。

(4)附塔管线施工超过75%以上时，可以按照图纸位置进行仪表桥架的施工，以及仪表导压管的施工。

（5）由于受主塔顶部设计吊耳和主塔总体刚度的吊装性能限制，以及主塔总长61.6m、重量为236t，现场无满足该吊装要求的起重机械，综合以上三个因素，主塔上附属设备、管道及仪表导压管与桥架全部施工完后仍需水平卧式状态下从 27.4m处截面割开原组对焊缝、工艺管道、桥架和导压管，在割开主塔焊缝前对主塔上、下段的鞍座进行检查、稳固处理，防止发生倾倒事故。仪表导压管在割开后再对接头进行焊接时需要外套承插直接头，故为

避免承插焊直接头集中在一处导致桥架无法容纳，在切割导压管时各根管间采用错开斜切割的方式，避开了承插焊直接头集中在一处。

（6）在主冷箱筒壳底部两段就位、组对后，即进行主塔下段（下塔）及其附属设备、管道的吊装立置就位。最大吊装重量为134.5t，设备长27.4m，提升高度超过29m，采用500t履带吊车作为主吊车、260t履带吊车作为辅助吊车溜尾。上塔及其附属设备、管道吊装就位与下塔进行组对，组对时仍然借助组对调整块，垂直度的测量采用经纬仪，在上塔与下塔组对期间500t履带吊车不得松钩。然后进行被割开的上塔、下塔管道、导压管复位焊接。

（7）上塔由于部分气液分离器设备与大口径管道布置在一侧，吊装重心偏离上塔几何中心，在吊装起吊前要适当调整吊装钢丝绳。

（8）在吊装上塔、下塔时为防止主钢丝绳对设备的挤压，必须加有“一字平衡梁”。

4.3主冷箱筒壳施工要点

（1）主冷箱壳体由于设计成圆形，既节省了装填珠光砂的空间，同时由于圆筒形结构简单，制作工艺也相对简单，采用类似制作非标圆筒形储罐的“倒装法” 施工。在制作场地处地板上放样后，不断的重复“围板→焊接→提升带板→焊接→围板”的施工程序，待每个筒壳施工到12m～14mm左右时用吊车将该节筒壳吊离制作场地，开始下一个筒壳的制作，整个冷箱62.46m的高度分成5个筒壳进行分段吊装组对。

(2)主冷箱筒壳的圆形结构使其容易发生挤压变形，因此，在吊装时最好在筒壳顶部均匀栓挂8个吊点，在吊车主钩下加一个“十字形吊装平衡梁”以免对冷箱筒壳造成挤压。

4.4冷箱内管道施工要点

(1)冷箱内铝镁合金管道的下料，小口管径及薄壁管采用切割机切割，角向磨光机修磨坡口，大口径管径及厚壁管全部用坡口切割机切割，用管道内磨机将合金管口的内、外壁20～25mm范围的表面氧化皮打磨干净，坡口脱脂擦拭。

（2）管子上开孔焊接管嘴时，应采用机械钻孔。管道上的开孔应尽量在预制时完成，如在已安装的管道上开孔，应采取措施防止切割下的金属屑及氧化铁掉入管内。

（3）铝镁合金管道在对口焊接时，应在焊口位置内衬带凹槽的铝镁合金衬垫环，带凹槽衬垫环的一端分段点焊在管道内壁上。

(4)冷箱内管道施工时，无论任何材质的管道，其管内部禁油、禁碳氢化合物、禁水，必须将管内部处理至无油、无水才具备安装条件。

(5)冷箱内部分管线的一段为铝镁合金管、另一段为不锈钢管道，中间采用钢铝接头进行过渡，钢铝接头的两端分别与同材质的铝镁合金、不锈钢焊接，在焊接钢接头时要注意对焊缝的热影响区进行温度控制，采取适当的降温措施，使焊缝热影响区的温升不超过钢铝接头上张贴的自动温感片的危险区，否则钢铝接头过渡层会出现裂缝、渗漏现象。

(6)铝镁合金管道安装的其它技术要求按照常规的不锈钢、碳钢管道施工技术要求。

(7)管道切割、坡口加工一律采用机械方法，管件焊丝清理采用化学清理+机械清理，化学清理见表3。清理好的焊件和焊丝不得有水迹、碱迹，或被沾污，清理后应妥善保护，从清理结束到使用的间隔时间一般不超过八小时。

表3 铝镁合金管化学清洗表

(8)铝管预制焊接场地焊接预制场地必须有防风防潮措施，不受粉尘、雨雪侵蚀，尽可能采用转动焊，管内衬垫环。

(9) 焊接工艺要求

A、焊接前应对焊件表面进行清理，表面应保持干燥，无特殊要求时，可不预热。

B、严禁在焊缝区域内直接引弧，采用引弧板。衬垫环不准划伤或熔化，一旦熔化，必须清除熔化部分重新补焊。

C、焊接前应在试板上试焊，当确定无气孔后再进行正式焊接。

D、手工钨极氯弧焊的焊丝端部不应离开社气保护区，焊丝与焊缝表面夹角宜为150°，焊枪与焊缝表面的夹角宜为75°-80°，宜采用左焊法。

E、铝镁合金焊接用的焊机要采用交直流方波脉冲氯弧焊机，且焊机要带水冷功能，才能融化铝镁合金表面的氧化膜，且能够很好的控制温度和焊接熔深，防止材料变形。

F、多层焊时宜减少焊接层数，层间温度宜冷却至室温，且不应高于65℃，层间的氧化铝等杂物应采用机械方法清理干净。

G、当钨极氯弧焊的钨极前端出现污染或形状不规则时，应进行修正或更换钨极，当焊缝出现触钨现象时，应将钨极、焊丝、熔池处理干净后方可继续进行施焊。

H、焊接顺序应对称进行，当从中心向外进行焊接时，具有大收缩量的焊缝宜先施焊，整条焊道应连续焊完。

(10) 氩气纯度

使用的金气纯度必须为 99.999%，气管保证不漏气，长度应≤30m，焊缝内、外都要进行充氯保护。

(11) 焊接记录

在施焊前，将各区域的设备，管道画出焊缝单线图，并在图上标出焊缝的编号，并做好记录。

(12) 焊接检验

焊缝必须保证焊透，不得有夹渣、裂纹、气泡、弧坑等，管内必须平滑，无锐边、毛刺及焊瘤。由质检员检查其外观合格后委托探伤工进行 X射线探伤，探伤时间应在焊毕的12小时后进行，不合格立即返修，返修次数不得超过两次。冷箱内管道的焊缝应参照标准进行探伤检验。

5 核心技术及主要创新点

5.1 核心技术

5.1.1 主塔在地面卧式水平状态进行组对焊接，主塔上的附属设备、外围附属管道也在卧式水平状态下进行配管安装，主冷箱单独分段制作、组对，两个副冷箱也是卧式水平状态下完成框架施工，然后进行副冷箱内的设备卧式安装、管道卧式配管，以上四个模块单元单独施工完后再逐一用大型吊装机械进行整体吊装立置安装到位。使大型吊车集中使用，提高了大型吊车的利用率。

5.1.2 由于将垂直空间安装作业转变为地面水平施工，除仅存在一个 EL+27.4m层面上的塔、多道管口空中组对焊接外，其它的高空垂直作业均不存在，现场施工安全性得到提高，同时，高空垂直作业时、钢结构制作、设备安装、管道焊接时由于受作业面限制不便于施工、质量检查的位置，在地面水平施工时能保证安装质量且均能逐一检查到位，极大地降低了施工质量漏检的比例。

5.1.3 地面施工能更便于管道倒运到冷箱内，管道在预制厂的预制深度可以提高到70%甚至更高。

5.1.4 相比传统施工技术减少了脚手架的搭拆工程量，脚手架搭设均在水平低空下搭设，设备、管道焊接或固定完后再卧式水平状态下就能将脚手架拆除，节约了成本和缩短了工期。

5.2 主要创新点

5.2.1 高低压塔到货后在预制场地水平放置进行地面组对。

5.2.2 主冷箱外壳在地面采用立式倒装法进行分段制作。

5.2.3 副冷箱框架在地面水平制作。

5.2.4 附塔管道与主冷箱外壳同时进行预制，然后进行安装。

5.2.5 主冷箱内主塔连同管道配管，进行地面整体试压、检漏检测。

5.2.6 主塔及管道再进行分割成两段，分段吊装。

5.2.7 吊装组对完成进行环口焊接、整体试压。

6 效益分析

6.1 安全投入分析

6.1.1 以单套63000mh空分装置冷箱进行比较，常规的垂直空间作业施工方法需要搭设满堂脚手架，脚手架用量约为7600m，卡扣6500个，而采用该施工技术后仅局部施工区域搭设脚手架，且搭设高度低，脚手架用量约为4700m，相应的节约了38~40%脚手架租赁、搭拆工程量，跳板使用量也减少了。安全措施投入费用仅一项节省30%以上。

6.1.2 高空作业变为低空作业，提高了施工安全保障系数。

6.1.3个人劳保用品投人较少，由于减少了高空作业，相应的个人安全保障措施投入降低，相对要降低2000元～3000元劳保用品投入。

6.1.4 减少机械台班费，原来使用250 吨吊车的吊装工作现在用25 吨吊车即可完成，减少机械费约28万元。

6.2 工期、施工效率分析

由于该技术是地面或低空水平作业，省去了施工人员每个工作日的上下冷箱、搬运施工机具的时间，特别是在对比冷箱上部作业时，每天能增加有效作业时间近40～50分钟，施工效率仅此项就提高了约10%；加之脚手架的搭拆难度降低，相应缩短了施工时间。综合以上因素，该技术完成一套63000m3/h空分冷箱（机械竣工）需用时约160天，相比传统施工方法缩短约30～50天时间。

6.3 施工质量分析于该技术将大量的高空垂直作业转变为地面或低空水平作业，施工人员操作方便，焊接及安装质量能得到提高，同时一些原来质量检查无法到位的区域也能完全检查到位。

6.4 经济效益分析

以项目地区为例，该技术完成一套63000Nm3/h空分冷箱所需的施工成本约为500万 (不含主材费、利税)，而按照常规方法施工该冷箱所需的施工成本约为568万，故该技术能节约施工成本约68万。

6.5 社会效益

大型空分冷箱卧式施工技术，减少高空作业，降低施工安全风险，提高工作效率缩短工期，节约成本，取得了良好的社会效益。

7 应用实例及前景

该技术在某公司尿素、合成氨项目配套的63000Nm3/h空分装置施工中的焊接质量合格率平均98.9%，主塔、换热器设备的安装垂直度都在规范控制范围内，冷箱内各试压系统的强度试验和严密性试验均一次合格，冷箱各单元模块立置安装就位连通后的再次整体严密性试验合格。目前，国际上的大型空气产品公司在空分装置设计上都在朝冷箱及其设备管道卧置施工的设计理念进行转变的趋势。该技术在施工安全性、高质量和降低成本方面效果明显，具有广泛的应用前景。

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