浅谈大型空分冷箱的制造工艺

摘 要：本文主要介绍工业气体项目中的大型冷箱设备的制造工艺，对制作过程中的关键控制环节和特殊注意事项进行了较为详细的论述。

关键词： 冷箱；弯管；洁净管道；氧气AA级清洗；无绒布；分段处理

前言：

冷箱被广泛应用于各类工业气体项目之中，是大型空分装置中的标志性设备，主要由提纯设备、换热设备、富氧洁净管道、钢结构、密封墙板、附属的电气和仪表设施等组合而成；因其零部件多、制造要求严、总体重量大（不锈钢冷箱重量在500吨左右，铝冷箱约300吨）、内部构造复杂；因而探讨其制作或组装工艺有着重要的现实意义。

1.结构组对

大型冷箱一般分为塔式圆形冷箱和方形冷箱两类，前者的外部结构是圆筒形，由钢板卷制而成；后者的结构是长方形，由方钢组对而成；结构的材料均为普通碳钢，其主体结构截面最大尺寸可达6.5米以上，长度在70米左右。由于主体结构是安装设备、管道等的载体，因此组对时必须严格控制焊接变形及其几何尺寸。

1.1下料切割

下料精度影响着组对质量。过大的下料负偏差会导致组对间隙过大，而间隙过大则对焊接造成困难，且容易在焊接时产生大的焊接收缩变形；反之，过大的正偏差则会增加结构的整体几何尺寸。因此，主结构方钢的下料方法一般不主张火焰切割，而以机械锯割为好。

1.2 组对方法

结构组对采用卧式进行，它是在距地面高度约1米（以作业人员在下面能方便作业为准）的立柱式支架上进行的。其组对顺序如下：

下部立柱分段组对 下部横梁安装 上部立柱分段组对 上部横梁安装 侧面支撑梁安装 斜加强筋安装。

需要说明的是，结构的组对顺序不是固定的，可根据内部设备的到货时间和设备的安装方法进行调整（包括留出部分活动梁），以在保证组对质量的前提下方便施工为目的。

1.3注意事项

冷箱的全部预制工作完成后，在运输之前要进行分段切割处理，因此，方形冷箱的立柱或圆形冷箱的筒体，在组对时就应该提前考虑并留出两道分段接口的位置，以免焊后切割不便。

1.4尺寸检查

结构完成后应全面检查各部尺寸，如对角线之差、总高、宽度等，尺寸的检查方法按常规进行，结果应满足规定要求。

圆形冷箱筒体的制造同一般的塔设备，此不再赘述。

2.设备安装

（1）冷箱的主要设备有粗、细精馏塔和换热器等，全部安装在主体结构的内部，重量在10-70吨不等，尺寸较长；因此，设备的安装方法决定于结构的施工程序，需与结构的安装工作互相配合。

（2）如果设备到货较早，为降低设备安装难度，在下部立柱及其横梁组对完成后可立即进行塔设备及换热器的安装，而后再安装侧面支撑梁及上部结构；反之，如果设备到货时间较晚，则可将主要结构工作完成后再安装设备，但此时由于设备尺寸较长，安装较为困难，设备必须从结构的一端吊入框架，必要时还需采用特制的临时导轨支架将设备滑入框架。

（3）设备就位后应及时安装设备支架和必要的临时固定用支架，以保证设备正确定位，避免配管发生大的位移，同时也保证内部作业人员的安全。

3.配管

3.1弯管施工

（1）因冷箱的工作温度多在-196℃以下，因此其管道材质多为低温塑性较好的材料，如不锈钢（304等）和铝管（L5083、L6061等）等；同时，由于所有的管道焊口或接头在冷箱投用后均埋藏在冷箱墙板的内部，且内部空间还要填充满珠光砂，一旦泄露，难以及时发现和处理，故为了减少焊口数和泄漏点，冷箱中4寸及以下的管道设计时多采用机械弯管代替轧制弯头焊接；这样，控制弯管质量尤为重要。

（2）目前国外弯管设备质量过关，弯管精度极高，故弯管被大量采用；但国内好的设备相对较少，因此应选择质量可靠的设备，以保证弯管质量。我们采取引进德国的数控弯管设备，弯管质量比较理想。

（3）需要指出的是，用于弯管的管道本身的质量对保证弯管质量非常重要，因此材料采购时，对材料的物理性能应提出必要的要求，以避免弯管时出现开裂等缺陷而造成浪费。

3.2 管道安装

（1）冷箱内的管道是根据结构内部有限的空间布置的，管道纵横交错，走向较乱，这与一般的外部管道的施工是大不一样的，因此，制订合理的管道安装顺序是加快施工进度的必要条件，必须统筹考虑。

（2）配管的一般原则是先大后小，先底后顶，中间加之以必要的穿插施工。

（3）管道的支架必须同步进行，以保证管道的正确定位；同时，由于温差的影响，管道开车时会因低温大量回缩，故管道之间、管道与设备或结构之间必须按照设计要求预留出足够的回缩间隙。

3.3管道的核对

所有管道安装完成后，应对每条管线进行技术核对，以确认流程正确、走向正确，无损检测资料齐全。为避免混淆，提高效率，可以对检查后的管道贴上标签标识。

3.4注意事项

冷箱内部空间狭小，管道的安装应与无损检测工作配合进行，以避免造成管道安装完后，由于位置所限而导致大量焊口难以检测。如确因间隙太小，探伤设备可以采用伽马放射源来完成。

4.管道焊接

4.1不锈钢管道的焊接

不锈钢管道的焊接按常规进行，即单面V型坡口，背部充氩，双面气体保护，氩弧焊打底，电弧焊填充盖面，并做好防飞溅、防铁污染工作。

4.2铝管的焊接

4.2.1焊接因素分析

（1）铝和氧的亲和力很大，铝的表面极易形成氧化膜；由于该氧化膜的熔点远远高于纯铝，且比重又大，焊接时它会阻碍金属之间的良好结合，从而形成夹渣。

（2）液态铝中吸收了大量的氢，冷却凝固时，氢的溶解度急剧降低； 当气体氢来不及快速逃逸时极易形成氢气孔。

（3）铝的高导热性使焊接时的热损失增大，故焊接前常需预热，并要采用大功率或能量集中的焊机。

（4）铝由固态转变为液态时，没有显著的颜色变化，因此焊接时要掌握好焊接温度，否则会产生过热焊漏或未焊透等缺陷；此外，铝的高温强度很低，焊接时还应防止金属的坍塌。

4.2.2焊接方法

（1）机械清理坡口，化学法清洗焊丝，以彻底去除母材和焊丝上的氧化膜。

（2）焊接方法采用氩弧焊，氩气纯度大于99.99%，以充分保护焊接金属不被氧化；采用大功率（如500A）焊机焊接，必要时进行焊前预热，以弥补铝的高散热性。

（3）背部加设垫环，以便做到在保证母材根部全部焊透的情况下金属不会焊漏；同时要做好挡风、防尘、防湿工作。

4.2.3 无损检测

采用射线拍片，II级合格。对于空间极小的固定口，需采用伽马源监测，但必须做好安全隔离工作，保持足够的安全距离。

4.2.4注意事项

由于本管道属氧气AA级洁净管道，对于已进行洁净处理过的管道，在施工的全过程当中，要做好避免二次污染的保护工作。

5.洁净处理

5.1清洗的主要方法

本设备内的液氧管道均需进行氧气AA级清洗，清洗的主要方法有：进行〈1%水晶硅砂喷砂、槽内酸洗液浸泡、无绒布溶剂檫洗、蒸汽吹扫等；但无论采取何种清洗方法，清洁质量必须满足用户专门的规范要求。

5.2清洗后的检查方法

（1）清洗后的检查方法包括：在封闭的室内和规定强度的白光灯下目检；用紫外线灯照射；用干净的白色无绒布檫拭1平方英尺的面积后检查。

（2）结果应满足：檫拭试验的肉眼检查应无檫拭介质变色情况，无油类残留物的证据；不潮湿；无清洗剂残留物；无腐蚀、颗粒等外部物质；无油漆、油剂物；无油脂等碳氢化合物或有机物；紫外线灯光下无碳氢化合物荧光或没有每平方英尺内多于75颗粒的织物纤维存在。

5.3洁净后的保护

洁净检查合格后，要立即用干净耐用的商品塑料管帽或管塞对管道和组件的开口处进行保护，防止污染；不得在任何已清洗的表面上使用胶带或粘接剂；所有用来封口的密封件都必须与被密封件一样干净。

5.3洁净管道的标记

对清洗合格的管道等部件必须做出标记，标记内容至少为：氧气级清洗AA级，清洗与标记人；标记日期，保持清洁的警示说明等。

6.取样与控制仪表管道配管

（1）取样管道及仪表控制管道的安装重点应控制弯管的质量和管线起、止位置的直段长度和斜度，确保和冷箱的壳体面板紧密贴合，因为这是工艺与计量精度的要求；其次才是布置美观。

（2）虽然这些管道直径很小，但也都是经过了氧气AA等级的清洁处理，因此，施工时同样要注意防止污染，特别是夹套管道施工。

（3）由于这些管道直径较小，管道壁厚很薄，因此，为了保证对口及焊接质量，管道焊接时建议采用薄壁自动焊机进行（焊前必须经过焊接工艺评定）。

7.气压试验

（1）气压试验在所有的安装、焊接、检查、无损检测等工作都完成后进行，试验介质应是干净、干燥、无油的空气或氮气，推荐采用瓶装氮气；试验时的升压可用符合洁净规定的空压机来实现，也可用氮气瓶通过充填分配台进行。

（2）需要说明的是，压力表应采用洁净的氧气专用压力表，试验压力及恒压时间按设计要求；其他要求，如升压速率、压力表的校验和安装位置、漏点处理、采取的安全措施等按常规进行。

8.运输前的分割

（1）整个冷箱安装、防腐工作完成后，其总重将达300吨左右，长度为60米，属超重、超长、超高、超宽设备；为了便于运输，一般要进行分段处理，即将整个冷箱切割分作几段。

（2）分段原则上应根据设备、管道、结构的特点进行，以在满足运输的前提下，对设备、管道和结构的损伤最小，且方便以后再次组对为目的。

（3）值得指出的是，由于设备和管道内部都经过了清洗并经压力试验合格，所以分段切割时一定要小心进行。

9.运输

冷箱的运输按合同分为工厂交货和FOB.这里需要提醒的是，由于其尺寸庞大，运输前要充分探明沿途道路允许通过的条件，如桥梁高度、承载强度，高速公路收费口的允许通过宽度，高压电线和交通信号灯的限高等，必要时需跟交警部门提前申请交通管制，以确保顺利完成。

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