大型蒸汽管式干燥机的组装与分析

尤清华，孙焕锋，任 贺

（1.北京电力设备总厂，北京 102401；2.中国能建集团装备有限公司，北京 100007）

0 概 述

截止2010年底，我国已探明的褐煤保有储量约1 903亿吨，占全国煤炭储量的13%［1］。目前，褐煤主要用于坑口电厂的发电以及煤化工。由于褐煤具有水分高、挥发分高、发热量低等特点，褐煤的大规模开发利用和作为原料转化利用都受到较大限制。近年，我国已提出将褐煤干燥后再进行煤制气、煤制烯烃、发电等重大技术方针。

大唐国际多伦煤化工项目是我国“十一五”规划重大化工项目之一，涵盖气化、变换、低温甲醇洗、甲醇压缩合等四大工序。该项目从2008年开始建设，整个工艺系统的第一步就是将褐煤干燥。我国早在上世纪90年代末，在化工行业对PTA进行干燥时，采用引进国外的内加热蒸汽管式干燥机［2］，该设备单台处理量约100t／h，设备进口的费用较高，又因该设备的干燥效果未能使褐煤水分≤10%，没能达到煤制气的要求，所以，该设备不能应用于该项目。通过调研，德国研制管式干燥机的历史已有100多年。由于管式干燥机运行安全可靠，干燥程度较高，在褐煤气化方面得到了广泛应用，决定采用管式干燥机。但是，国外管式干燥机的价格高（是国产价格的3倍），因此，从2006年开始，我公司开始研发和设计管式干燥机。

管式干燥机直径为5.3m，总长约10.3m，倾斜倾角为12°，单台设备的蒸汽管数量为1 548根，单管长8m，总体重量225t，是煤气化关键设备之一［3］。管式干燥机的设计与组装质量，直接关系到该项目的整体建设。

1 干燥机组装方案的确定

1.1 干燥机的组装

管式干燥机是一个倾斜的多管式回转圆筒，其筒体直径较大，1 548根干燥管通过前后端的管板固定。中心轴长约10.3m，支撑在筒体外两端的轴承座上，大齿圈安装在干燥机前端，电机通过减速器带动小齿轮，小齿轮再与大齿轮啮合传动，干燥机的额定转速为8r／min，管式干燥机的结构外形，如图1所示。根据输煤车间的布置，干燥机前端安装在11 m钢梁平台，后端安装在9m平台［4］。

图1 管式干燥机的结构

由于干燥机单机重量大，整体直径达5.3m，结构较复杂，若在制造厂内组装，可节省不少在现场安装的费用，且制造厂的工装器具较为齐全。但在制造厂组装后，需整体运输，设备加上车体的高度达6 m，超过我国公路运输限高的要求。经讨论，决定将干燥机的中心轴、干燥管、管板、筒体（分三段）、进出料装置、进出汽管路、传动装置等部件，在制造厂内加工成组件，再运输到现场进行组装。

1.2 中心轴组装方案选择［5］

根据受力分析，中心轴承载着设备的重量，所以，中心轴的组装精度，直接关系到干燥机的平稳运行。关于中心轴的组装主要有2种工艺方法，第一种：将中心轴制造成1根整轴进行热处理和机加工，这样能保证干燥机的各段轴颈有较好的同轴度。根据对国外干燥机制造的调研，是将中心轴做成1根整轴，制造厂需具备大型轴类设备的机加工能力。但是，此工艺方案使管板同轴环缝的焊接形式改为立焊，增加了焊接难度，且消除焊接应力的难度较大。第二种，通过干燥机的受力分析，干燥机的载荷主要集中在中心轴前后端的轴颈处。因此，可将中心轴分为三段制造，再现场组焊。前端轴颈及后端轴颈材料，采用了ZG35GrMo高合金钢。此种方案中，对中心轴同轴度的调整、空心轴内外焊接及消除应力是关键的控制工序。根据现有的制造条件，决定采用第二种工艺方法进行中心轴的组装。中心轴组装的划分，如图2所示。

图2 中心轴的组装划分

1.3 管板组装方案选择［5］

管板制造和组装的精度要求较高，是干燥机安装时的重要工序。管板直径为5.3m，厚90mm，材质为16MnR，需加工1 548个管孔。最初方案是拟采用3块120°料进行拼接。经受力分析，干燥机在转动时，转动力矩较大，这种拼接方法将引起管板强度的下降。通过比较，最终决定采用1块长方形板，宽大于1.4m（板中间需开孔Ø1 400），另外再用2块钢板补圆，拼成整圆。管板组装方案的对比，如图3所示。管板的拼焊完成后，采用模具定位的方法，在机床上加工1 548个基孔，然后再扩孔至管孔尺寸。这种加工工艺较繁复，但保证了管板的整体性。

图3 管板组装方案对比

1.4 干燥机的组装流程

干燥机前端横梁安装→中心轴组装→管板焊接、组装→对中、校准同轴度→焊接筒体→穿管焊接→出汽管路组装→水压试验→安装前后端轴承箱、轴承座→干燥机运输、吊装→干燥机后端横梁安装→调整标高及倾斜度→安装驱动装置→对中、校准传动部件→安装干燥机进、出料装置→安装进汽管路→安装保温层。

2 干燥机吊装方案

干燥机体积大而重，吊装方案需经专项论证。国外安装管式干燥机时，在干燥机下方置有小车，此小车可承托干燥机，也可用于检修干燥机轴承。为此，技术人员提出采用“拖排”就位干燥机的方案［6］。根据厂房的设备布置，干燥机安装在厂房B列到D列之间，进料端标高11.0m，出料端标高9.0m。干燥机的吊装步骤：

（1）根据总体吊装荷载计算，支撑架基础的载荷不小于360t；运输滑道总载荷按310t考虑。

（2）根据设备尺寸及厂房结构，制作专用的干燥机吊装支撑架、行走架、吊装扁担、运输滑道等工艺装备，准备4台100t液压提升装置及钢绞线、猫爪等附属工具，准备1台10t卷扬机和1对30t滑轮组。

（3）安装液压提升装置及支撑架、行走架、运输滑道，穿钢绞线，用钢丝绳连接吊装扁担与干燥机、运输滑道与支撑架。

（4）将15台干燥机组装后，运输至吊装现场，采用1台500t履带吊将干燥机起吊至9.5m高度，然后用1台30t汽车吊，斜拉干燥机进入厂房，再平稳地吊放在支撑架上。

（5）用卷扬机将行走架拖动至厂房内干燥机的就位位置，利用4台100t液压提升装置，调整干燥机的安装位置，安装支撑梁后，吊放干燥机就位。

3 干燥机组装

3.1 中心轴与管板的组装

将分为三段的中心轴对准后进行焊接，再整体加工到设计尺寸，保证轴的同轴度。然后，将管板装在2个胎具工装上与中心轴组装在一起。使用胎具工装是为了保证孔板与中心轴组装的垂直度和同轴度，用螺栓及钢管将胎具和中心轴锁固，使中心轴和2块管板按图纸要求进行连接。先焊接中心轴环焊缝，再进行筒体焊接。

3.2 筒体卧式组对及找正工装

（1）直线度测量

筒体环缝的对接采用卧式组对，为方便筒体对接，可制作筒体外夹胎具工装。将外夹胎具放在自制的平台上，利用外夹胎具控制筒体的整体的对接，对接后的筒体直线度Δδ≤4mm。在筒节0°、90°、180°、270°四个方向焊上定位块。钢丝绳放在定位块90°的直角槽中，用 M10的螺栓拉紧Ø0.5mm钢丝绳进行测量，如图4所示。

图4 筒体直线度测量示意图

（2）激光四点找正［7］

筒体的对接与装配是整个设备能否正常运转的关键，所有附件均需同步加工，各附件的同轴度应具有一致性。采用四点激光找准的方法，可确保筒体机身的同轴度。在筒体4个胀圈中焊接固定环，固定环的内圆应与筒体的外圆同心。固定环内圆与筒体坡口的加工应同步进行，保证同心度不大于0.2 mm。在固定环的中间，需套上1个定位块，在定位块中心，钻有1mm的穿透孔，利用激光直线传播的特点，保证4个定位块的中心保持在同一直线上。以保证筒体安装的直线度及同心度。利用定位块找正的示意图，如图5所示。

图5 激光四点找正示意图

3.3 干燥机的管子管板焊接

国外管式干燥机的管子与管板连接，是采用胀接形式，但根据我国目前的技术状况，认为采用管子管板焊接的方式比较稳妥。由于干燥管的数量较多，人工焊接耗时大，焊接质量难以保证，决定采用不填丝自动钨极氩弧焊进行焊接，焊接电源为直流正接，焊接电流的脉冲较高且持续时间较短的（峰值电流）和较小的基值电流（维弧电流），这样可稳定焊接电弧，减少了焊缝夹渣等缺陷。干燥机的管子管板焊接，如图6所示。

3.4 轴承座与轴承箱的安装

图6 干燥管与管板的焊接

组装轴承前，首先应确定轴承的初始游隙。组装后，采用塞尺检查剩余游隙，并对过盈量进行调整（在轴承的自然状态下测量初始游隙，然后逐渐压入锥套测量剩余游隙，用初始游隙减去剩余游隙就是过盈量）。

轴承箱组装应在干燥机本体组装完成后进行，轴承箱内零件已在制造厂装妥，无需在现场进行任何调整。为了轴承箱就位方便，先将出料端轴承箱按装配位置进行初步定位。轴承箱在厂内组装后是经过封存防锈处理的，现场安装过程中，不要随便打开轴承箱盖和各个进油管路接口，避免湿空气进入使内部零件发生锈蚀。

3.5 传动装置安装

（1）在传动部分的滚动轴承内，涂抹占1／3轴承空间的钙基润滑脂（黄油），所有螺栓的螺纹表面应涂抹 MoS2锂基润滑脂，然后再拧入螺孔。

（2）组装前，应将各零部件清洗干净。检查传动装置内部，应无杂质存在。

（3）装配齿轮幅

大齿轮是安装在干燥机筒体上，运行时，干燥机内部将接入约170℃的蒸汽。因此，大齿轮会有轴向和径向的位移和热变形。首先，将已组装完成的传动部分，以大齿轮齿宽中间为准，与小齿轮的齿宽对齐，再转动大齿轮1～2周，观察齿轮的啮合情况，应保证齿轮侧隙为0.780～1.181mm，进一步细调小齿轮的位置。然后，将传动部分整体向大齿轮右侧移动。以大齿轮右端面为准，确定小齿轮右端面位置。必要时，依靠传动部分整体的细微移动，将齿轮安装在正确的位置上。

（4）齿轮幅的接触检查

用红丹粉涂色于小齿轮的齿上，转动大齿轮1周后，观察大齿轮的着色区，保证接触区位于大齿轮齿高和齿长方向的中部，小齿轮齿高的中部。干燥机冷态时，大齿轮还未产生热位移，所以，小齿轮在齿高方向的接触区，可在中间偏上的区域内。

（5）齿轮传动位置确定后，不需再调整。此时，可将调整垫铁与系统基础焊接固定。

4 干燥机水压试验

管式干燥机属于低压容器，根据压力容器设计规范，应进行水压试验。由于工期紧张，曾提出将干燥机组装就位后，再进行水压试验。水压试验前，需向筒体内注水约60t，增加了干燥机轴承的受力，使干燥机的弯曲挠度增加，可能影响干燥机同轴度。最终决定，将筒体两端安放在与筒体相同弧度的凹槽内，在地面进行水压试验。

4.1 试验准备

（1）将干燥机水平放置在凹槽托架上，确保中心轴与地面平行；干燥机机体各连接部位的紧固螺栓必须装配齐全，紧固妥当。

（2）试验用水应洁净、无腐蚀性，温度不低于5℃；安装泵水试验的排水管道；试验用压力表在校检期内，量程为试验压力的1.5倍，精度1.5级，且在排气管1和机体两处安装完毕。水压试验的示意图，如图7所示。

图7 水压试验示意图

4.2 试压

（1）用水充满干燥机筒体，排净筒体内的气体，筒体外表面应保持干燥。当筒体壁温与水温接近时，缓慢升压至设计压力0.5MPa，确认无泄漏后，继续升压至试验压力0.625MPa，稳压30min，再将压力降至0.5MPa，然后进行保压并检查是否存在泄漏。检查期间压力应保持不变。

（2）设定安全溢流阀压力值为0.625MPa。

（3）试压后，若无变形及泄漏等现象，则水压试验合格。

（4）试压过程中如出现漏点，应做好标记，卸压消缺后重新进行水压试验。

5 结 语

对管式干燥机的组装工艺进行了分析，将干燥机的中心轴分为三段在现场进行组装和焊接，解决了不具备大长轴的机加工问题。通过制作外夹胎具，控制筒体对接时的直线度，采用四点激光找准的工艺方法，确保筒体机身装配的同轴度。采用不填丝自动钨极氩弧焊工艺，对管子与管板进行焊接，调整了焊接参数，保证了干燥机整体性强度。吊装时，利用拖排支撑架，采用卷扬机拖动的方式，将管式干燥机吊装至厂房内的正确位置。