裂解炉对流段模块吊装用平衡梁的探讨
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模块 序号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 模块总 重（t） 109 102 112 46 59 147 外形尺寸 （mm） 25590×2642×2883 25590×2642×2344 25590×2642×2685 25590×2642×3048 25590×2642×1392 25590×2642×3372 底 18470 21353 23697 26382 29430 30822 标高 mm 顶 21353 23697 26382 29430 30822 34194
吊梁 连接柱
模块
吊耳
A E E
吊耳
劲板 PL12
A
HW400
配M20螺栓
PL20 HW250 HW250
E-E
劲板 P
PL20
C C
HW300
配M30螺栓
HW300
D D
连接柱详图
HW300
D-D
配M20螺栓
PL20 吊耳详图
C-C
图 1 模块吊装用长方形框式平衡梁
图 2 长方形框式平衡梁吊装裂解炉模块图片 这种平衡梁制作简便，与模块之间通过连接柱用螺栓连接构成一刚性整体，保证了吊装过程中模 块不会发生变形，不足之处是需要使用大量的螺栓，每次安装、拆卸工作相对较多，且对材料的抗弯 性能要求较高。而本项目裂解炉模块最重 147t，长度接近 26m，如使用图 1 所示的平衡梁，就需要使 用抗弯性能更强的型钢，势必会大大增加吊装重量，增大吊车的负荷，甚至会因此而造成现有吊车不 能满足使用，需更大吨位吊车进场，增加费用投入。换种角度考虑，对这种长型构件来说，平衡梁的 设计主要就是考虑其抗弯性能，既然增大型钢规格不经济，那么在维持其重量不变或者变化不大的情 况下如何增大其抗弯性能？使用截面尺寸较小的型钢制作吊装桁架即可以解决本问题。 本项目裂解炉对流段模块的吊装使用了图 2 所示的平衡梁。这种桁架式平衡梁，不仅减少了自身 重量，而且有效地增强了自身强度。
裂解炉对流段模块吊装用平衡梁的探讨
摘要：裂解炉对流段模块的吊装是裂解炉施工安装中的重点难点，由于模块外形尺寸大，重量重，迎 风面大，结构刚性差、易变形，模块衬里易被破坏。设计、制造合适的平衡梁可以优质高效地完成对 流段模块的吊装任务。 Abstract: Owing to the characteristics of the convection module of cracking furnace, such as considerable size、weight、windward side 、flexiblity of whole structure and breakage of linear module, the lifting of the convection module is a heavy stress in the process of the installation. The equalizer bar is suitably designed and fabricated can effectively fulfill the lifting of the Cracking Furnace. 关键词：裂解炉 对流段模块 吊装 平衡梁 Key words: cracking furnace; convection module; lifting; equalizer bar 1 前言 随着近些年来国内工业的蓬勃发展，对乙烯的需求不断增加，根据形势所需，国家上马大量乙烯 工程项目，各地石化公司不是对原有装置进行扩能改造就是兴建新的乙烯项目，在这种背景下，作为 乙烯装置核心的裂解炉也在不断发展或根据项目采用专利技术而不断变换型号、规模。 不同型号或者不同专利技术的裂解炉，其对流段模块的型式基本不变，均为立式箱型结构，通常 由对流管束、衬里、外墙钢结构、附件等部件组成。目前，模块多采用工厂化制作，即在工厂将对流 管束、衬里、外墙钢结构、附件等部件组装成整体后运至现场安装，少数项目采用现场组模，即管束 整体到货，然后在现场将管束与衬里完毕的外墙钢结构组装成模块，然后吊装。 不同型号或者不同专利技术的裂解炉对流模块，外形尺寸和重量可能有很大的差异。如 KBR 专利 技术的 10 万吨/年裂解炉的对流模块长约 9.5m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 88t；13 万 吨/年裂解炉的对流模块长约 12m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 89.7t。Linde 专利技术 15 万吨/年裂解炉的对流模块长约 19.1m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 105.1t。SW 专利 技术 13 万吨/年裂解炉的对流模块长约 25.6m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 147t。 模块管束是靠安装在外墙板之上的管板托架支撑的，其与外墙板之间仅仅是接触性连接，而墙板 立柱之间主要靠槽钢连接，本身刚度并不是很强，容易发生扭曲变形，从而导致附着在墙板内侧的衬 里受到破坏。由于模块构造有着这样的特点，如何避免吊装过程模块产生变形就是制定方案时要特别 重视的问题。一般来说，通过使用特制的吊具即平衡梁来解决此项问题，这样，平衡梁的设计就成为 方案中的重点部分。下文即以某石化公司新建乙烯装置裂解炉项目为例，对模块吊装平衡梁的设计进 行一些探讨。 2 裂解炉对流模块吊装参数 裂解炉每台炉子对流室分为 6 个模块进行安装，模块采用工厂化制作，整体运输到现场吊装就位， 模块间通过螺栓、焊接连接。模块吊装参数一览表如下： 表 1 模块吊装参数一览表
图 3 模块吊装用桁架式平衡梁 此平衡梁用现场的施工余料或手段用料制作加工， 横梁和斜梁为 HW250×250×9×14mm 型钢， 竖 梁为 HM294×200×8×12mm 型钢，纵梁为 HM244×175×7×11mm 型钢组成。上方设置 8 只板式主吊耳， 主吊耳焊接方位根据平衡梁上主吊索具在主吊耳平面的投影方位焊接，用以消除卸扣的横向受力。平 衡梁下方设置 14 只板式吊耳（吊耳正对模块的 14 条立柱） ，平衡梁上部吊耳通过卸扣与主吊钢丝绳扣 连接，平衡梁下部吊耳通过卸扣连接钢丝绳的一端，钢丝绳另一端通过卸扣与板式法兰吊耳连接。连 接形式如图 4。
图 4 桁架式平衡梁下部与模块顶部连接图 4 桁架式平衡梁强度校核 桁架式平衡梁为超静定结构，应力分布非常复杂，如通过手工计算则需要建立并解析大量的方程， 耗时耗力，且结果容易出现偏差。随着科技的进步，计算机也越来越多地应用于石油化工工程建设领 域，如使用先进的应力分析软件，仅需要建立模型并加上负载，即可自动生成结果，结果不仅准确， 而且相当直观。 本桁架式平衡梁强度校核使用 ansys 软件建模并进行有限元分析，以最重模块 147t 进行校核，动 载系数 K=1.2 ，材料弹性模量 E=2.1e+011N/m2 ，泊松比 0.28 ，抗剪模量 7.9e+010N/m2 ，质量密度 7800kg/m3，屈服强度 s 235MPa ，桁架式平衡梁有限元分析结果如图 5 所示：
图 5 平衡梁有限元分析应力分布图 从图 5 中可以看出，校核结果为最大应力 190MPa ，结果完全满足吊装安全要求。
图 6 桁架式平衡梁吊装裂解炉模块图片 5 模块吊装完成后的总结 对流段模块安装前完成模块吊装方案的编制工作，并经过反复推敲修改，特别是桁架式平衡梁的 设计及强度校核（完全使用现有的有限的手段用料进行制作，在满足施工需要的前提下并最大程度的 减少平衡梁自身的重量） 。方案定稿报审完成后进行吊索具的采购、平衡梁的制作及作业区域的地基处 理， 为正式吊装做好了充分的准备。 经过 1 个月的紧张施工， 优质高效地完成了全部 36 个模块的安装， 得到了各方的一致好评。 笔者认为，由于桁架式平衡梁整体结构稳定、制作简单、使用方便，可以最大程度地解决模块在 长度方向上刚性较差、容易变形的问题，因此对于重量较重且长度尺寸较大的裂解炉对流段模块吊装 宜采用桁架式平衡梁进行吊装；而对于长度尺寸不大的裂解炉对流段模块，可以使用长方形框式平衡 梁（图 1 所示平衡梁）或桁架式平衡梁，具体可根据现场情况确定。 虽然桁架式平衡梁能很好地满足施工需要，有很多的优点，但也存在不足之处，如需要使用大量 型材，焊接量较大，对焊接质量要求高，还有制作精度要求较高，桁架上、下吊耳、模块吊耳板孔孔 中心要求分别在同一水平面上，桁架下吊耳与模块吊耳板孔的中心要求在同一垂直面内，连接用的卸 扣型号规格必须相同，吊索具长度必须要求一致等等。 具体在项目执行中，还是应根据设备特点、现场的环境及资源状况，集思广益，充分发挥主观能 动性，在保证安全、质量的前提下保证一定的经济效益，选择适合项目使用的平衡梁。
3 模块吊装平衡梁的设计 裂解炉对流段外墙钢结构立柱按 7 轴线排布，除 4 角立柱型钢为 HW300×300×10×15mm 型钢外 其他立柱均为 HW200×200×8×12mm 型钢，型钢间通过槽钢[10 和[20b 连接，内侧为 5mm 厚炉壁板， 衬里附着在壁板上，管板坐落在固定于墙板上的管板托架。为防止模块吊装时结构发生变形破坏，可 以采取临时加固的措施来增强模块本体的刚度，但这种措施需要耗费数百米的型钢，且安装、拆卸需 消耗大量的机械及人工，不仅不具经济性，还增加了大量的高空作业风险，可行性较差。根据模块的 特点，只要模块不受横向外力的作用，其本身的刚度是可以满足吊装需求的。通过使用平衡梁即可改 变模块在吊装时的受力状态，确保安装质量。由于模块自身重量较重，在满足吊装需要的前提下，应 尽量减小吊索具的重量（主要是平衡梁的重量） ，从而减小吊车作业的负荷率，保证吊装作业安全高效 地进行。以往有项目使用过下图 1 所示的平衡梁：
吊梁 连接柱
模块
吊耳
A E E
吊耳
劲板 PL12
A
HW400
配M20螺栓
PL20 HW250 HW250
E-E
劲板 P
PL20
C C
HW300
配M30螺栓
HW300
D D
连接柱详图
HW300
D-D
配M20螺栓
PL20 吊耳详图
C-C
图 1 模块吊装用长方形框式平衡梁
图 2 长方形框式平衡梁吊装裂解炉模块图片 这种平衡梁制作简便，与模块之间通过连接柱用螺栓连接构成一刚性整体，保证了吊装过程中模 块不会发生变形，不足之处是需要使用大量的螺栓，每次安装、拆卸工作相对较多，且对材料的抗弯 性能要求较高。而本项目裂解炉模块最重 147t，长度接近 26m，如使用图 1 所示的平衡梁，就需要使 用抗弯性能更强的型钢，势必会大大增加吊装重量，增大吊车的负荷，甚至会因此而造成现有吊车不 能满足使用，需更大吨位吊车进场，增加费用投入。换种角度考虑，对这种长型构件来说，平衡梁的 设计主要就是考虑其抗弯性能，既然增大型钢规格不经济，那么在维持其重量不变或者变化不大的情 况下如何增大其抗弯性能？使用截面尺寸较小的型钢制作吊装桁架即可以解决本问题。 本项目裂解炉对流段模块的吊装使用了图 2 所示的平衡梁。这种桁架式平衡梁，不仅减少了自身 重量，而且有效地增强了自身强度。
裂解炉对流段模块吊装用平衡梁的探讨
摘要：裂解炉对流段模块的吊装是裂解炉施工安装中的重点难点，由于模块外形尺寸大，重量重，迎 风面大，结构刚性差、易变形，模块衬里易被破坏。设计、制造合适的平衡梁可以优质高效地完成对 流段模块的吊装任务。 Abstract: Owing to the characteristics of the convection module of cracking furnace, such as considerable size、weight、windward side 、flexiblity of whole structure and breakage of linear module, the lifting of the convection module is a heavy stress in the process of the installation. The equalizer bar is suitably designed and fabricated can effectively fulfill the lifting of the Cracking Furnace. 关键词：裂解炉 对流段模块 吊装 平衡梁 Key words: cracking furnace; convection module; lifting; equalizer bar 1 前言 随着近些年来国内工业的蓬勃发展，对乙烯的需求不断增加，根据形势所需，国家上马大量乙烯 工程项目，各地石化公司不是对原有装置进行扩能改造就是兴建新的乙烯项目，在这种背景下，作为 乙烯装置核心的裂解炉也在不断发展或根据项目采用专利技术而不断变换型号、规模。 不同型号或者不同专利技术的裂解炉，其对流段模块的型式基本不变，均为立式箱型结构，通常 由对流管束、衬里、外墙钢结构、附件等部件组成。目前，模块多采用工厂化制作，即在工厂将对流 管束、衬里、外墙钢结构、附件等部件组装成整体后运至现场安装，少数项目采用现场组模，即管束 整体到货，然后在现场将管束与衬里完毕的外墙钢结构组装成模块，然后吊装。 不同型号或者不同专利技术的裂解炉对流模块，外形尺寸和重量可能有很大的差异。如 KBR 专利 技术的 10 万吨/年裂解炉的对流模块长约 9.5m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 88t；13 万 吨/年裂解炉的对流模块长约 12m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 89.7t。Linde 专利技术 15 万吨/年裂解炉的对流模块长约 19.1m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 105.1t。SW 专利 技术 13 万吨/年裂解炉的对流模块长约 25.6m（不含弯头箱的尺寸） ，最重的一个模块重约 147t。 模块管束是靠安装在外墙板之上的管板托架支撑的，其与外墙板之间仅仅是接触性连接，而墙板 立柱之间主要靠槽钢连接，本身刚度并不是很强，容易发生扭曲变形，从而导致附着在墙板内侧的衬 里受到破坏。由于模块构造有着这样的特点，如何避免吊装过程模块产生变形就是制定方案时要特别 重视的问题。一般来说，通过使用特制的吊具即平衡梁来解决此项问题，这样，平衡梁的设计就成为 方案中的重点部分。下文即以某石化公司新建乙烯装置裂解炉项目为例，对模块吊装平衡梁的设计进 行一些探讨。 2 裂解炉对流模块吊装参数 裂解炉每台炉子对流室分为 6 个模块进行安装，模块采用工厂化制作，整体运输到现场吊装就位， 模块间通过螺栓、焊接连接。模块吊装参数一览表如下： 表 1 模块吊装参数一览表
图 3 模块吊装用桁架式平衡梁 此平衡梁用现场的施工余料或手段用料制作加工， 横梁和斜梁为 HW250×250×9×14mm 型钢， 竖 梁为 HM294×200×8×12mm 型钢，纵梁为 HM244×175×7×11mm 型钢组成。上方设置 8 只板式主吊耳， 主吊耳焊接方位根据平衡梁上主吊索具在主吊耳平面的投影方位焊接，用以消除卸扣的横向受力。平 衡梁下方设置 14 只板式吊耳（吊耳正对模块的 14 条立柱） ，平衡梁上部吊耳通过卸扣与主吊钢丝绳扣 连接，平衡梁下部吊耳通过卸扣连接钢丝绳的一端，钢丝绳另一端通过卸扣与板式法兰吊耳连接。连 接形式如图 4。
图 4 桁架式平衡梁下部与模块顶部连接图 4 桁架式平衡梁强度校核 桁架式平衡梁为超静定结构，应力分布非常复杂，如通过手工计算则需要建立并解析大量的方程， 耗时耗力，且结果容易出现偏差。随着科技的进步，计算机也越来越多地应用于石油化工工程建设领 域，如使用先进的应力分析软件，仅需要建立模型并加上负载，即可自动生成结果，结果不仅准确， 而且相当直观。 本桁架式平衡梁强度校核使用 ansys 软件建模并进行有限元分析，以最重模块 147t 进行校核，动 载系数 K=1.2 ，材料弹性模量 E=2.1e+011N/m2 ，泊松比 0.28 ，抗剪模量 7.9e+010N/m2 ，质量密度 7800kg/m3，屈服强度 s 235MPa ，桁架式平衡梁有限元分析结果如图 5 所示：
图 5 平衡梁有限元分析应力分布图 从图 5 中可以看出，校核结果为最大应力 190MPa ，结果完全满足吊装安全要求。
图 6 桁架式平衡梁吊装裂解炉模块图片 5 模块吊装完成后的总结 对流段模块安装前完成模块吊装方案的编制工作，并经过反复推敲修改，特别是桁架式平衡梁的 设计及强度校核（完全使用现有的有限的手段用料进行制作，在满足施工需要的前提下并最大程度的 减少平衡梁自身的重量） 。方案定稿报审完成后进行吊索具的采购、平衡梁的制作及作业区域的地基处 理， 为正式吊装做好了充分的准备。 经过 1 个月的紧张施工， 优质高效地完成了全部 36 个模块的安装， 得到了各方的一致好评。 笔者认为，由于桁架式平衡梁整体结构稳定、制作简单、使用方便，可以最大程度地解决模块在 长度方向上刚性较差、容易变形的问题，因此对于重量较重且长度尺寸较大的裂解炉对流段模块吊装 宜采用桁架式平衡梁进行吊装；而对于长度尺寸不大的裂解炉对流段模块，可以使用长方形框式平衡 梁（图 1 所示平衡梁）或桁架式平衡梁，具体可根据现场情况确定。 虽然桁架式平衡梁能很好地满足施工需要，有很多的优点，但也存在不足之处，如需要使用大量 型材，焊接量较大，对焊接质量要求高，还有制作精度要求较高，桁架上、下吊耳、模块吊耳板孔孔 中心要求分别在同一水平面上，桁架下吊耳与模块吊耳板孔的中心要求在同一垂直面内，连接用的卸 扣型号规格必须相同，吊索具长度必须要求一致等等。 具体在项目执行中，还是应根据设备特点、现场的环境及资源状况，集思广益，充分发挥主观能 动性，在保证安全、质量的前提下保证一定的经济效益，选择适合项目使用的平衡梁。
3 模块吊装平衡梁的设计 裂解炉对流段外墙钢结构立柱按 7 轴线排布，除 4 角立柱型钢为 HW300×300×10×15mm 型钢外 其他立柱均为 HW200×200×8×12mm 型钢，型钢间通过槽钢[10 和[20b 连接，内侧为 5mm 厚炉壁板， 衬里附着在壁板上，管板坐落在固定于墙板上的管板托架。为防止模块吊装时结构发生变形破坏，可 以采取临时加固的措施来增强模块本体的刚度，但这种措施需要耗费数百米的型钢，且安装、拆卸需 消耗大量的机械及人工，不仅不具经济性，还增加了大量的高空作业风险，可行性较差。根据模块的 特点，只要模块不受横向外力的作用，其本身的刚度是可以满足吊装需求的。通过使用平衡梁即可改 变模块在吊装时的受力状态，确保安装质量。由于模块自身重量较重，在满足吊装需要的前提下，应 尽量减小吊索具的重量（主要是平衡梁的重量） ，从而减小吊车作业的负荷率，保证吊装作业安全高效 地进行。以往有项目使用过下图 1 所示的平衡梁：