MTO装置再生器旋风分离器更换检修新思路

甲醇制烯烃（Methanol To Olefin，MTO）是将甲醇催化转化为乙烯、丙烯的工艺。甲醇制烯烃技术是煤制烯烃工艺路线的枢纽技术，实现了由煤炭经甲醇生产基本有机化工原料。煤制烯烃路线是对传统的以石油为原料制取烯烃路线的重要补充。自2010 年国能包头煤化工有限公司首套甲醇制烯烃装置投产至今（截至2020 年4 月），国内正式投放和运行的烯烃装置已达到28 套，总计烯烃产能12 008 kt/a，全国炼化行业烯烃的产能也在与日俱增。低油价时期煤制烯烃企业盈利优势并不能充分体现，甲醇制烯烃企业的利润不佳，甚至有时处于亏损阶段。企业为追求利润最大化，均采用高负荷、长周期生产的方法来降低生产成本。在企业竞争日益激烈的情况下，生产企业每年的停产设备检修的时间不同，也导致国内PE/PP 产量出现变动，产量变动会导致价格变动，设备停车检修也会直接影响企业全年的经济效益。设备停车检修的创新也会显得尤为重要，同时也对MTO 装置设备停车检修的管理提出了新的挑战。文中以国能包头煤化工有限责任公司MTO 装置“再生器旋风分离更换检修”为主线来阐述检修过程中的新方法和新思 路。

国能包头煤化工有限责任公司MTO 装置反应器和再生器采用等高并列布局，两器通过两根U 形管连接并输送催化剂。再生器作为反应失活的催化剂提供再生的场所，是MTO 装置的核心设备，内置有3 组高效的PLY 型一、二级旋风分离器、17组垂直套管式内取热管、主风分布管等部件；器壁采用冷壁结构，材质为Q245R，内部衬有厚度为150 mm 的单层无龟甲网隔热耐磨衬里。再生器密相直径为4 900 mm，稀相直径为6 000 mm，设备总标高为41 m；再生器一级旋风分离器的尺寸为φ1 260 mm×8 374 mm，质量约为7.06 t，再生器内部二级旋风分离器的尺寸为φ1 260 mm×7 832 mm，质量约为5.8 t，6 台旋风分离器下挂料腿、拉杆、翼阀、放倒锥共计重量约105 t。旋风分离器的分布和位置见图1。

图1 旋风分离器分布和位置
Fig.1 Distribution and location of cyclones

MTO 装置“再生器旋风分离更换检修”主要工作量是再生器内部的三组旋风分离器进行整体更换、一组再生器内取热管更换、修复再生器内部器壁损坏的衬里 [1-2]。整个检修过程工作量大，为高空作业、脚手架工作量大、内部进行检修作业存在作业面小、安装焊接质量要求高、内部环境恶劣、用电苛刻、内部照明受电压影响照明不佳等条件制约，检修工作效率低，工期长，无法在有限时间内完成；同时检修过程存在严重交叉作业，安全风险太大，无法进行有效管 控。

解决再生器检修存在问题：

（1）如何在有限的时间内来完成再生器检修如此大的工作量。

（2）如何有效地控制设备检修过程中的检修质量和标准。

（3）如何对检修现场进行优化，改善检修作业环境，规范化、标准化，高效率地进行检修工作。如何避免检修过程中的交叉作业，对检修工作进行有效地管控。

1 检修方案优化和确定

根据再生器的设备特点和检修内容，对检修施工的工序流程进行充分探讨，再生器旋风分离器更换可以采用传统的检修方法和整体进行更换的检修方法。

1.1 传统施工方案

再生器内部安装检修平台和卷扬机，旋风分离器划分成多个单体部分，内部逐个部分拆除后，通过再生器的稀相过渡段上的DN 2 100 mm 装卸孔倒运至地面。然后再将新的旋风分离器逐个通过装卸孔倒入并进行安装（具体详细工艺流程见图2）。

图2 传统施工工序流程
Fig.2 Process flow of traditional construction

此方案的优点：再生器壳体不破坏，整体焊接量适中，不涉及大型吊装作业。缺点：旋风分离器单体在再生器内部倒运繁琐，内部脚手架搭拆量大，作业环境差，作业面小，交叉作业严重，安全风险大，无法有效管控；整个施工作业在一条路线上，各个工种需要严格按照施工工序进行，施工过程效率低，整体工期的活动弹性太低，采取24 h 连续作业，工期也需要56 d。停车检修时间过长会影响公司全年的经济效益，检修后公司各装置开车可能会进入冬季，增加装置开车难度和开车过程中的安全风险。

1.2 再生器旋风分离器整体更换施工方案

再生器旋风分离器整体更换方案是再生器上部封头切割后，将再生器封头和内部旋风分离器系统以及外集气室整体吊出再生器，在再生器外部将旋风分离器单体进行整体更换的施工方法 [3-4]。此方法将原来在再生器内部施工单一路线改为再生器内、外同步进行施工（再生器旋风整体更换施工工艺流程见图3）。

图3 再生器旋风整体更换施工工艺流程
Fig.3 The construction process flow of regenerator cyclone overall replacement

采用此方案的优点：此方案由原来的再生器内部施工一条路线变成由再生器内、外两条路线平行施工，检修工期由56 d 缩短到42 d，大大节省了装置停工检修时间；采用再生器外部将旋风分离器单体进行整体更换的施工方法改善了作业条件，扩大了检修作业面，可以多组人员同步施工，旋风分离器的安装难度比在再生器内部大幅度降低，测量方法更加丰富且易于操作。从安全的角度来看，旋风分离器采用外部安装最大程度上避免了交叉作业，大幅降低了作业过程中的安全风险，整个施工过程易于进行风险管控。另外，此方法减少了容器内作业粉尘、噪声的污染，员工作业环境大为改善，因此施工效率明显提高。缺点：旋风分离器整体更换，涉及大型吊装作业，旋风分离器在外部进行无参考定位安装，增加了技术风险和施工难度。

传统的施工方案工期较长不能满足公司的检修需求，经过充分论证，再生器旋风分离器整体更换方案，可以大大降低检修时间，直接影响公司的经济效益，公司决定采用再生器旋风分离器整体更换施工方案进行MTO 装置再生器检修工作。

2 施工过程的关键技术难点

（1）再生器封头切割和焊接时，再生器筒体的变形量如何进行控制，再生器封头在负重吊装过程中变形量的控制。

（2）吊装过程中的安全平稳性如何保障，避免吊装旋风分离器时损伤器壁衬里。

（3）旧的旋风分离器如何从封头上拆除，新的旋风分离器如何和封头组对，施工过程中旋风分离器的垂直度如何保证。

（4）检修现场场地空间狭小，检修现场地下有两根DN 1 400 埋地循环水管线，650 t 履带吊车的组车和站位区域受到很大的限制，再生器旋风分离器更换的检修会影响大检修中其他检修项目施工作业，现场安全隐患很大。

3 问题的分析和解决

3.1 再生器筒体和封头在切割时变形控制措施

再生器稀相封头直径为6 m，器壁材质厚度为22 mm，内衬有厚度150 mm 的隔热耐磨衬里（比重1 400 kg/m3），锚固钉焊接在再生器器壁上，涂抹在器壁上的衬里通过锚固钉进行固定，衬里的伸缩性和钢材器壁的伸缩性存在一定差异，器壁变形量过大，会对再生器内部衬里造成损坏。如何控制再生器封头切割和焊接过程中筒体的变形量，显得尤为重要。

再生器封头焊缝切割时，先将焊缝上、下400 mm 处（衬里施工时此处支模的模板边界）衬里破除完毕，尽可能地破除在变形影响区域内的衬里。在距上封头焊缝上侧40 mm 上内部进行加固；焊接一个用I20a 钢形成的圆环，进行环向加固，作为加固主梁。次梁采用φ114 mm×8.5 mm 钢管，主梁8处进行发散状分布，在上封头加固型钢端部，用钢管连接成环状。这样做提高了封头整体的刚度，减少了切割和吊装时封头的变形。再生器顶封头加固见图4。

图4 再生顶部封头加固示意图
Fig.4 The schematic diagram of reinforced regenerator end socket

再生器筒体的支撑加固选择在封头焊缝切割线下侧100 mm 处，因封头焊缝处于再生器旋风分离器主体的上部，旋风分离器的外边缘距离器壁最小部位间距为150 mm，间距较小，在再生器内部进行加固会严重影响旋风分离器的吊装作业，最终再生器下部筒体防变形采用在再生器外部制作加强圈的方法进行加固，用I10a 按照再生器的直径压成弧形做为加强主梁，在工字钢接口用钢板设置筋板进行对缝焊接，工字钢沿器壁进行环形加固，为了防止下部筒体变形，每间隔400 mm 处进行点焊，焊缝长度不少于150 mm。筒体防变形加强圈的具体结构见图5。

图5 筒体防变形加强圈的具体结构
Fig.5 The definite structure of anti deformation reinforcing ring for cylinder

封头焊缝切割前要确保大型吊车就位并保证吊点受力均匀后，方可进行上封头与筒节相连接处的焊缝切割。从外部用半自动切割机进行保护性切割作业，切割作业要间断进行，避免切割导致局部温度高出现变形。

3.2 吊装作业平稳性的控制措施

3.2.1 吊具的设计和安装要求

再生器上封头及内件重量约为105 t，为保障吊装过程的安全平稳性和不损伤筒体器壁，在DN 6 000 上封头侧上部焊接4 个50 t 级板式吊耳，吊耳分别呈 15°/105°/195°/285°四个方位圆周布局，吊耳板材材质选用Q345，焊接为熔透焊接，焊肉要求饱满，焊高不小于20 mm，焊接完成后进行PT检测，I 级合格。封头上部绳索用十字梁支撑，平衡梁经过局部应力和有限元分析选用200 t 级，采用钢管制作成十字结构，钢管φ325 mm×16 mm（材质20#），板材为Q345，厚度50 mm。平衡梁结构如图6 所示。

图6 平衡梁结构
Fig.6 The structure of balance beam

3.2.2 吊车的选用

再生器整体内件及封头重量105 t，钩头、绳索、加固结构、平衡梁及吊耳总重约7.5 t，吊装载荷约122.5 t×1.1 （风载） ×1.1 （动载） =137 t。再生器内件吊装最大高度为61.5 m；经过放样分析，吊车臂长选用90 m，作业半径17 ～ 26 m （HDB 工况，超起配半径13 m，超起配重250 t，后配重190 t，中央配重80 t）， 吊装负荷率61.4%。整体吊装采用650 t 履带吊车。

3.3 旋风分离器外部组对和垂直度质量控制措施

3.3.1 旋风分离器系统外部拆除和安装的处理

为便于旋风分离器在外部进行拆除和组对工作，在吊车安全半径范围内设置旋风分离器的检修工装。检修工装是针对旋风分离器检修设计的高度为19.5 m的检修临时框架，检修工装设置两个作业区域分别用于旧旋风分离器的拆除和新旋风分离器的安装。根据旋风分离器在不同标高段作业情况，在检修工装上设置检修作业平台，EL 15 000 mm 处设置圆形支座，作为一级旋风分离器的支撑点，在EL 15 900 mm 层横梁作为二级旋风分离器的支撑点，用于旋风分离器的限位固定。一、二级旋风分离器固定支座见图7，在标高15.0 m 和15.9 m 平台上铺满20 mm 厚碳钢钢板。在旧旋风分离器拆除区域对旋风以及料腿进行焊接加固后，分离再生器封头。封头焊缝坡口进行加工打磨处理后吊入新旋风分离器安装区域，进行找正、安装。

图7 一、二级旋风分离器固定支座
Fig.7 Fixed support of one level and second level cyclone separato

3.3.2 旋风分离器安装垂直度保证措施

再生器内共计有三组旋风分离器，一级旋风分离器吊挂在封头上，二级旋风分离器出口与外部集气室的升气管焊接相连，旋风分离器安装的垂直度会影响旋风分离器的运行性能 [5]。旋风分离器的垂直度偏差要求不大于5 mm，为保证旋风分离器最终垂直度，必须做好以下三点。

（1）一级旋风吊挂系统和外集气室在封头上的升气管作为一旋和二旋的主要承重装置，为保证二级旋风的垂直度以及二级旋风之间的顺利对接，必须要保证封头在检修工装上的水平度，吊挂座和外集气室升气管在封头上的水平度必须和封头的水平度保持高度一致，和封头的同心度也须控制在很小的偏差之内。以此为基准，先进行一级旋风分离器安装，后进行二旋出口和升气管、一旋接口的组对。方法如下：封头吊装至临时框架顶层平台，根据封头拆除前，事先标定的（0°、90°、180°、270°）基准点，通过找水平，确保4 个基准点都在同一水平面内，以达到封头与原来所处位置一致。然后将封头限位定位固定，在施工时多次复测，防止出现变动，若有变动及时加垫铁调整。然后将旋风分离器依次拉至安装组对位置，只要保证上封头水平，旋风分离器处于自由状态，其自身重力作业，就能保证旋风分离器处于垂直状态，通过线坠法，可以进行检验。由于料腿带有角度，在6 个料腿垂直段，用定位钢板按照料腿理论位置进行放样，在钢板上开出6 个孔，然后将钢板定位，依次将6 个料腿分别穿过定位孔，通过两点一线的原理（旋风分离器与料腿接口点和限位钢板开孔）保证料腿直段的垂直度，自然就保证了料腿的定位位置。由于翼阀角度安装要求受方位、高度及实验数据影响，预留到设备安装就位后，到内部进行安装。在地面临时框架上组装完成后，将设备整体吊装至再生器筒体上，根据事先定位的水平标识点进行找平。只要水平标识点在同一平面，则内部所有部件都处于设计位置。

（2）一旋和二旋、二旋和集气室升气管接口的不锈钢焊接，焊缝采用筋板刚性固定、旋体用手拉胡芦钢丝绳固定后，采取两人对称且沿同一方向施焊的方法，防止旋风分离器因焊接变形造成垂直度产生偏 差。

（3）为保证封头安装时的水平度和垂直度，旧封头吊装前需要对筒体的组对焊口进行椭圆度修正，然后对组对口的水平度进行最终的检测和修正。来确保旧塔体组对基准面的椭圆度和水平度。封头回装组焊时，要充分考虑烟气集合总管的焊缝组对。组对前在壳体板同一方向每隔1 000 mm 焊一块定位板，定位板要设置成斜形（如图8 所示），在对口处每隔1 000 mm 放间隙片一块，间隙片的厚度应以保证对口间隙为原则，同时上、下两壳体板的四条方位母线必须对正，其偏差不得大于3 mm。用卡子、销子调整对口错边量，使其沿圆周均匀分布，防止局部超标，符合要求后，再进行定位焊。焊接时，施工人员在对称位置以同一旋转方向进行施焊，以有效防止环缝焊接后对旋风分离器垂直度的不利影响。

图8 封头与筒体组对定位开设置示意图
Fig.8 Schematic diagram of positioning opening for end socket and cylinder formation

3.4 施工现场的优化和布局

施工现场环境狭小，再生器检修过程复杂，检修现场需要安装检修工装，650 t 履带吊车的站位以及吊车的组车，占用区域太大，外加检修现场地下有两根DN 1 400 埋地循环水管线，检修过程中必须要错开该区域。再生器检修过程势必会对整个装置的大检修工作造成严重的影响，为达到检修现场的标准化和精细化管理，合理布局检修现场，提前对检修现场进行分区域定位进行管理，检修现场设立了检修区、现场临时指挥部、检修人员临时休息区、材料放置区、阀门放置区、工业垃圾存放处、脚手架存放处等区位，检修区划分为再生器检修的吊车作业区域和周边其余项目检修区域，并根据检修时作业情况，分时段对现场检修区域进行共用 [6]，避免了检修现场的交叉作业，确保整个检修项目能够同步进行。大大降低了整个检修的安全风险，使压缩检修工期变成了可能，质量得到了保证，思路清晰，目标明确，通过有效的管理，最终目标得以实现。

3.5 经济效益分析

2019 年再生器检修过程中旋风分离器的更换采取的新技术和新检修思路实施后检修取得很好的效果，开车一次性成功。

虽然，从工程造价来看，再生器检修新方法比传统施工检修方法工程费用增加；但是，施工过程中安全无事故，施工环境良好，以人为本，绿色施工符合当今潮流。而且从装置投用后产生的经济效益来看 [7-8]，由于装置提前投产14 d，每天可以产生百万利润，多生产14 d 为公司全年多创造了约为4 700 多万元，与施工费增加成本一百万元相比较而言，极为经济。生产烯烃产品及时投放市场，也带来巨大的社会效 应。

4 结束语

国能包头煤化工有限公司MTO 装置再生器检修过程中旋风分离器检修的新思路的检修尝试，取得很好的成果，质量安全都得到了保证，缩短了检修工期，也为企业带来可观的经济效益。再生器旋风分离器检修新方法也为国内同类型企业同装置提供了借鉴和指导。