一起空分主塔傾斜故障的分析和處理

王繼鐸

（本鋼板材股份有限公司氧氣廠，遼寧本溪117002）

一起空分主塔傾斜故障的分析和處理

王繼鐸

（本鋼板材股份有限公司氧氣廠，遼寧本溪117002）

對一起制氧機主塔的傾斜原因進行了分析，詳細計算了塔器的冷縮量，據此提出整改方案并實施，同時對機組其他問題進行了同步處理，取得良好效果。

冷箱；切換系統(tǒng)；主塔；垂直度；分析；處理

1 概述

本鋼氧氣廠3#制氧機組于1974年建成投產，為日本神戶公司全套設備，設計氧氣、氮氣產量各10000 m3/h，原裝置不產氬氣，1998年進行過改造增加產氬系統(tǒng)，設計氬氣產量180 m3/h。2005年該廠6#、7#制氧機組相繼投產，3#制氧機組從生產一線退出，轉為備用機組，根據近年來的運行情況，廠決定對其進行大修，重點放在冷箱內部塔器管道的檢查和處理上。

2 冷箱系統(tǒng)存在的問題及分析

2.1 存在的問題

冷箱扒砂后，對塔內容器管道檢查，存在的問題有：主塔向西南側污氮管方向傾斜，向西側水平偏移38 mm，向東側水平偏移5 mm，總偏移量為38.3 mm，輔塔及上塔中部塔皮有凹陷，塔內部分管道凹陷，上塔出來的污氮管路N2閥門閥桿折斷，閥體支撐架脫落，冷箱內部分管道支架損壞。

2.2 原因分析

塔內原有支架大部分為普通碳鋼材質，耐低溫性能較差，冷箱內工作溫度在-170℃～-196℃，普通碳鋼材質支架長時間在這種溫度下工作，極易發(fā)生低溫脆裂現象。本次改造將碳鋼支架改為不銹鋼支架。

同樣原因，由碳鋼材質制作的N2閥門支架也發(fā)生低溫脆裂現象，如圖1所示，N2閥支架由支撐1、支撐2和連接螺栓組成，支撐1固定于冷箱骨架上，支撐2通過連接螺栓固定在支撐1上，由于碳鋼材質的螺栓不耐低溫，脆裂折斷，支撐2脫落，從使整個N2閥門失去支撐。

圖1 閥門支架示意圖

作進一步的分析，污氮管路是與上塔相連接的最粗的管路，直徑達600 mm，污氮管路和N2閥門自身的重量比較大，而N2閥門支架是整個污氮管路上的唯一支架，在N2閥門支架未損壞時，整個系統(tǒng)處于受力平衡狀態(tài)，當N2閥門支架脫落后，N2閥門及污氮管道下沉，而閥桿手輪端固定冷箱壁上，導致閥桿在A處受到剪切力發(fā)生折斷。

污氮管道起于上塔肩部，由于N2閥門支架脫落，整個上塔受到污氮管路及N2閥門向下的拉力，加之運行狀態(tài)下，塔內汽液不斷對塔壁進行沖擊，加劇了這種向下拉的趨勢，最終導致了上塔向污氮管方向傾斜，中部發(fā)生凹陷。

上塔頂端為輔塔，輔塔頂端連接純氮氣輸送管道，其水平方向管路與污氮管路水平方向成對角線，由于污氮管道對上塔的拉拽，輔塔底部和頂部分別受到上塔和純氮氣管路相反方向的剪切力，最終導致其中部發(fā)生變形，產生凹陷。

3 問題處理

對于N2閥門，我們重新加工了閥桿，加固了N2閥門支架，螺栓改為不銹鋼材質并且加粗。施工步驟如下，先將污氮管道從頂端吊住并斷開和主塔的連接，拆卸閥門處理，閥門回裝，支架加固，待主塔垂直度調整完畢后，將污氮管道與主塔連接。

上塔傾斜扶正處理，參照新建6#、7#機制氧機組冷箱內部結構，決定在上塔加拉筋，用緊線器進行調整。

準備工作，斷開和主塔連接的污氮管道和其他妨礙主塔垂直度調整的管道，測量垂直度，記錄偏移量和方向。由于塔體材質為鋁，并且較薄，故而在上塔頸部加上不銹鋼圍帶，規(guī)格100 mm×12 mm，圍帶和主塔之間墊4 mm聚四氟墊片，不銹鋼圍帶和冷箱板骨架上各焊接4個耳板，內孔?=40 mm，圍帶上下方分別焊接止動鋁板。

上下塔收縮量的測算。

由于空分系統(tǒng)運行過程中，冷箱內平均溫度保持在-180℃左右，室溫為15℃～20℃，溫差達195℃～200℃，塔的加固就不能不考慮塔自身在溫差作用下的收縮問題。

對工作狀態(tài)下塔內的溫度分布情況進行分析，沿著整個主塔從下到上溫度由高到低，并且溫降呈非線性。由于主塔內氣體不斷從下向上與從上向下的液體進行傳熱傳質，可近似看作是逆流式換熱器，運用傳熱學的理論計算主塔工作狀態(tài)下和室溫條件下的溫差是可行的。同時，為了使計算結果更趨于實際，縮小誤差，將整個主塔分為三段（具體見圖2），分別計算每段的對數平均溫差，分別計算出每段各自的收縮量，求和，即為這個塔的收縮量[1]。

計算過程如下：

下塔為Ⅰ段，冷凝蒸發(fā)器到上塔中部為Ⅱ段，上塔中部到輔塔頂部為Ⅲ段；由運行記錄及查圖表得出主塔的從下到上5個溫度參考點的溫度值為：

t1=-170℃，t2=-177℃，t3=-183℃，t4=-186℃，t5=-196℃

圖2 主塔三段尺寸示意

主塔扶正加固施工在9月份白天進行，此季節(jié)白天平均溫度t0=15℃，則溫差：

Δt1=185℃；Δt2=192℃；Δt3=198℃；Δt4=201℃；Δt5=211℃。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的對數平均溫差分別為：

ΔtⅠ對=（Δt2-Δt1）/（lnΔt2-lnΔt1）=189.5℃

ΔtⅡ對=（Δt4-Δt3）/（lnΔt4-lnΔt3）=200.5℃

ΔtⅢ對=（Δt5-Δt4）/（lnΔt5-lnΔt4）=207℃

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段各自收縮量計算：

主塔材質為鋁，從有關資料上查得其線膨脹系數為0.02234 mm/m·℃～0.02238 mm/m·℃，取平均值為0.02236 mm/m·℃，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段長度如圖2所示分別為11 m、8.2 m、8.2 m，則

LⅠ=0.002236×11×189.5=46.6 mm

LⅡ=0.002236×8.2×200.5=36.7 mm

LⅢ=0.002236×8.2×1207=37.8 mm

L總=LⅠ+LⅡ+LⅢ=120 mm

由前面計算得知整個塔的收縮量為120 mm，確定拉筋在冷箱骨架上的固定點在低于上塔頂端60 mm處，帶緊線器的?=30 mm的不銹鋼拉筋連接于圍帶和冷箱耳板上，加固裝置如圖3所示。

圖3 帶緊線器的拉筋連接示意

準備就緒后，我們開始對上塔垂直度進行調整，緩慢調節(jié)緊線器，邊調節(jié)邊觀察，當水平偏移量縮小到13 mm時，緊線器已很難再調節(jié)，測算上塔垂直度為13 mm/14000 mm，小于1/1000[2]，在合格范圍內。

塔垂直度調整完畢后，將和上塔連接管路恢復連接，對空分系統(tǒng)進行充氣試壓查漏。經檢查，垂直度調整過后，塔本體沒有發(fā)現泄漏處。在這之后，對于塔體的凹陷，我們作了10個鋁質“ㄈ”形加固件，焊接在凹陷處的上下塔皮上，以避免進一步凹陷。

裸冷結束后，再次測量塔的垂直度，水平偏移量降為5 mm，這是由于試壓及低溫條件下，塔本身的變形補償能力發(fā)揮了作用，主塔垂直度調整工作獲得成功。

4 板式切換系統(tǒng)改造

由于3#制氧機是老設備，還沒有采用分子篩吸附器，空氣凈化是通過板式換熱器的自清除實現的。當空氣流經板式換熱器時，其溫度由常溫逐漸冷卻至-170℃，空氣中的水分不斷以水珠、雪花等形態(tài)析出，沉積在換熱器通道上，當溫度降至-60℃時空氣中已基本不含水分；空氣溫度降至-130℃以下時，空氣中的二氧化碳也以干冰的形式析出，至-170℃時空氣中已基本上不含二氧化碳了。下一個周期上塔出來的干燥污氮氣流經原來空氣所走的通道，將凍結在板式通道上的水分和二氧化碳帶出裝置外，這樣空氣和污氮交替流經板式換熱器通道，流向相反，每個周期切換一次，保證進入主塔系統(tǒng)的空氣純凈[2]。

3#制氧機板式切換系統(tǒng)共分為3大組，每組5個換熱單元，每個單元由熱端、冷端兩部分組成，熱端由1個五通閥、冷端由2個小自動閥箱實現路由切換，總計15個五通閥、30個小自動閥箱。由于五通閥門數量眾多且經常損壞，不易于檢修，本次改造將五通閥改為切換閥組，各個換熱器進出管路進行連通匯總，熱端集中由3組切換閥組實現五通閥的功能，冷端合并為6個大自動閥箱控制路由切換。

5 其他改造

原空氣噴淋冷卻塔內裝磁環(huán)，破損率高，冷卻效果差，更換后的噴淋冷卻塔體積增大，內部按1：2的比例填裝不銹鋼鮑爾環(huán)和塑料鮑爾環(huán)，鮑爾環(huán)表面積比磁環(huán)更大且不易損壞，冷卻效果顯著加強。

空氣吸入過濾器由布袋式過濾器改為自潔式過濾器，提高過濾效果。

冷箱走臺原為花紋鋼板，上面易于積存雨雪，已經嚴重腐蝕，給操作帶來安全隱患。此次改造更換為鋼格柵板，有效地解決了上述問題。

6 結語

本次3#空分設備改造工作的重點和難點在于冷箱內鋁制塔器、鋁管道的檢修，檢修后機組運行穩(wěn)定，各項工藝參數達到原設計要求，檢修改造取得了成功，為今后塔器和管道檢修積累了寶貴經驗。

[1]李化治.制氧技術[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001：71-73.

[2]湯學忠，顧福民.新編制氧工問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001：90-91，268.

Analysis and Treatment of a M ain Column Leaning Fault of Air Separator

WANG Jiduo
(Oxygen Generation Plant of Benxi Steel Plate&Sheet Co.,Ltd.,Benxi,Liaoning 117002,China）

The causes of the main tower leaning of an oxygen generation plant were analyzed and the cold shrinkage of the tower was calculated in detail,based on which a rectifying program was proposed and implemented while other problems in the unit were also treated,which has achieved good results.

cold box；switching system；main column；verticality；analysis；treatment

TB657.7

B

1006-6764(2015)08-0031-03

2015-05-29

王繼鐸（1979-），男，2002年畢業(yè)于遼寧科技大學，工程師，現從事設備管理工作。