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高壓反應(yīng)釜設(shè)計(jì)和制造要點(diǎn)

[2012/12/13]

　　本文對(duì)采用傳統(tǒng)灌鉛式內(nèi)襯不銹鋼和液壓脹貼式內(nèi)襯不銹鋼兩種襯里結(jié)構(gòu)的高壓反應(yīng)釜設(shè)計(jì)、制造過(guò)程的要點(diǎn)進(jìn)行闡述，可有效地指導(dǎo)高壓反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)和制造。

　　前言

　　反應(yīng)釜常用于石油化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等行業(yè)，用以完成磺化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過(guò)程，以及有機(jī)染料和中間體的許多其它工藝過(guò)程的反應(yīng)設(shè)備。高壓反應(yīng)釜是國(guó)內(nèi)目前進(jìn)行高溫、高壓化學(xué)反應(yīng)最為理想的裝置，特別是進(jìn)行易燃、易爆、有毒介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，更加顯示出它的優(yōu)越性。但高壓反應(yīng)釜同時(shí)也是危險(xiǎn)性較大、容易發(fā)生泄漏和火災(zāi)爆炸事故的設(shè)備。

　　近年來(lái)，反應(yīng)釜的泄漏、火災(zāi)、爆炸事故屢屢發(fā)生。由于釜內(nèi)常常裝有有毒有害的危險(xiǎn)化學(xué)品，事故后果較之一般爆炸事故更為嚴(yán)重。開(kāi)發(fā)具有國(guó)際先進(jìn)發(fā)展方向和水平， 而又安全穩(wěn)定的大型高中壓反應(yīng)釜?jiǎng)菰诒匦。作為?guó)內(nèi)反應(yīng)釜生產(chǎn)重點(diǎn)企業(yè)之一，本著安全第一，人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)高于一切的宗旨，摒棄公司之間的技術(shù)保密性，充分發(fā)揮合作精神，互惠互利、共創(chuàng)雙贏，推動(dòng)反應(yīng)釜安全生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。文中主要依據(jù)廣東建成機(jī)械設(shè)備有限公司和廣東省石油化工專(zhuān)用設(shè)備四會(huì)有限公司多年以來(lái)對(duì)高壓反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及維修等方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，毫無(wú)保留、十分坦誠(chéng)地向本行業(yè)說(shuō)明傳統(tǒng)灌鉛式內(nèi)襯與液壓脹貼式內(nèi)襯的不同襯里結(jié)構(gòu)以及各自的設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)，希望能夠?yàn)楦邏悍磻?yīng)釜的設(shè)計(jì)制造提供有效的指導(dǎo)，減少安全事故，造福人民。

　　1 技術(shù)參數(shù)的確定

　　技術(shù)參數(shù)的確定是進(jìn)行反應(yīng)釜設(shè)計(jì)的第一步，也是關(guān)鍵的一步，它包括：

　　1.1 設(shè)計(jì)壓力(或最高工作壓力)、設(shè)計(jì)溫度(或最高工作溫度)當(dāng)用戶提供的只是最高工作壓力和最高工作溫度時(shí)，先根據(jù)物料性質(zhì)確定安全排放裝置的形式、種類(lèi)，再依據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B“超壓泄放裝置”的有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度。

　　1.2 釜內(nèi)容積釜內(nèi)容積分為有效容積與全容積，用戶一般給出的為有效容積(即操作容積)。此時(shí)，必須根據(jù)安全生產(chǎn)的要求確定物料充裝系數(shù)，充裝數(shù)一般為0.6～0.85，對(duì)于有容器法蘭結(jié)構(gòu)的釜體，物料充裝高度不宜超出容器法蘭密封面。

　　1.3 物料名稱(chēng)及特性是確定結(jié)構(gòu)及選材的重要因素。

　　1.4 攪拌器型式及攪拌轉(zhuǎn)速這關(guān)系到攪拌功率的大小及攪拌效果的好壞。

　　1.5 電機(jī)功率若用戶不能提供時(shí)，則必須要知道物料粘度、攪拌器型式、直徑及攪拌轉(zhuǎn)速，按“攪拌設(shè)備的計(jì)算”要求確定所需的攪拌功率，再計(jì)入軸封、軸承及減速機(jī)與傳動(dòng)副所損耗的功率，向上圓整標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)功率。

　　2軸封型式的確定

　　目前常用的軸封型式有三種，即：填料密封、機(jī)械密封和磁力傳動(dòng)密封。

　　2.1填料密封一般用于低轉(zhuǎn)速、軸封泄漏要求不是很高的條件下，其最高壓力一般可達(dá)到30MPa;且維護(hù)和使用方便，但轉(zhuǎn)速受到填料種類(lèi)及線速度限制。在P≤6.4MPa，且轉(zhuǎn)速≤100rpm時(shí)，可采用無(wú)油潤(rùn)滑的單層填料函結(jié)構(gòu);在P>6.4MPa，且轉(zhuǎn)速>100rpm則要考慮設(shè)置高壓油泵加強(qiáng)潤(rùn)滑，并采用多級(jí)(二級(jí))填料結(jié)構(gòu)函，確保每級(jí)不少于7層填料函。同時(shí)還需考慮對(duì)攪拌軸封處進(jìn)行鍍鉻處理，增加軸的耐磨性，或設(shè)置套管以保護(hù)攪拌軸不受磨損，屆時(shí)更換套管即可。

　　2.2機(jī)械密封可用于高轉(zhuǎn)速、軸封泄漏要求較底的條件下。其使用壓力不高，一般用于6.3 MPa以下場(chǎng)合，其維護(hù)使用不便，價(jià)格也較高。

　　2.3磁力傳動(dòng)密封一般用于軸封泄漏要求非常高的條件下。它將動(dòng)密封轉(zhuǎn)為靜密封，實(shí)現(xiàn)零泄漏。但不適合用于高溫條件下，其造價(jià)高且維護(hù)不便。

　　3攪拌軸徑及傳動(dòng)側(cè)兩軸承間距離的確定

　　3.1攪拌軸徑一般是根據(jù)攪拌功率、攪拌轉(zhuǎn)速等扭轉(zhuǎn)變形條件進(jìn)行計(jì)算，從而估算攪拌軸徑，再按臨界轉(zhuǎn)速、攪拌軸的強(qiáng)度來(lái)校核軸徑。當(dāng)無(wú)法確定攪拌功率時(shí)，可直接采用電機(jī)功率減去各傳動(dòng)副損耗的功率作為計(jì)算功率。

　　3.2計(jì)算攪拌軸在軸封、軸端處的擺動(dòng)量。

　　3.3當(dāng)臨界攪拌速以及軸封、軸端處的擺動(dòng)量不能滿足要求時(shí)，可通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)側(cè)兩軸承間的距離進(jìn)行重新校核，通常兩軸承間的距離取值為2.5～5倍攪拌軸直徑。當(dāng)仍無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，則應(yīng)考慮加大攪拌軸的軸徑或在釜內(nèi)設(shè)置底軸承。

　　3.4軸封處攪拌軸擺動(dòng)量的確定。軸封處攪拌軸擺動(dòng)量的大小，直接影響到軸封的密封性能。允許擺動(dòng)量的大小由釜內(nèi)壓力、允許泄漏量來(lái)確定。當(dāng)不能加大軸徑，而設(shè)置底部軸承仍無(wú)法達(dá)到允許擺動(dòng)量時(shí)，可在釜內(nèi)靠近軸封處設(shè)置中間軸承(盡量不在釜內(nèi)設(shè)置軸承)。一般情況下，軸封處擺量應(yīng)控制為：填料密封：0.08mm～0.13mm，機(jī)械密封：0.04mm～0.08mm。

　　4減速機(jī)輸出軸與傳動(dòng)軸的連接

　　當(dāng)減速機(jī)機(jī)架采用單支點(diǎn)時(shí)，需要用鋼性聯(lián)軸器連接;當(dāng)減速機(jī)機(jī)架采用雙支點(diǎn)時(shí)，剛性聯(lián)軸器和柔性聯(lián)軸器均可使用，一般情況下優(yōu)先選用剛性聯(lián)軸器。

　　5傳動(dòng)軸

　　傳動(dòng)軸盡可能采用單根軸，需采用多根軸時(shí)，則各根軸之間的連接必須采用剛性連接。

　　6選材及結(jié)構(gòu)考慮

　　6.1材料選擇考慮根據(jù)物料的特性：

　、贌o(wú)腐蝕，②有晶間腐蝕，③有應(yīng)力腐蝕，④有化學(xué)腐蝕等來(lái)確定是選用碳鋼，還是選用不銹鋼及選用何種不銹鋼。在有晶間腐蝕傾向的情況下，應(yīng)選用經(jīng)固溶處理的不銹鋼材料。

　　6.2物料考慮當(dāng)物料有腐蝕需采用不銹鋼作為防腐蝕材料時(shí)，可選用三種結(jié)構(gòu)：

　、偃讳P鋼結(jié)構(gòu)，②內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)，③復(fù)合板結(jié)構(gòu)。具體采用何種結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)壁厚、制造工藝及經(jīng)濟(jì)性能等綜合考慮而定。在會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕的環(huán)境下，不宜采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)，否則會(huì)因?yàn)椴牧贤蝗淮嗔讯l(fā)生嚴(yán)重事故。

　　6.3內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)

　　內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)有兩種：①傳統(tǒng)灌鉛式內(nèi)襯不銹鋼，②脹貼式內(nèi)衫不銹鋼。此兩種結(jié)構(gòu)對(duì)不同的使用場(chǎng)合有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　6.3.1灌鉛式內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)襯與釜體間的間隙充滿了鉛，其傳熱與剛度性能優(yōu)越，無(wú)結(jié)構(gòu)突變，較適用于應(yīng)力腐蝕環(huán)境。但灌鉛時(shí)難以控制灌鉛溫度，容易過(guò)熱，使不銹鋼的抗晶間腐蝕性能降低，加上鉛、銻合金熔點(diǎn)低，不適于高溫工況條件，通常最高工作溫度≤250℃？傮w上其造價(jià)成本高，制造工藝較復(fù)雜。

　　6.3.2脹貼式內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)襯與釜體間的間隙充滿導(dǎo)熱油，其傳熱與剛度性能較差。內(nèi)襯與釜體間的貼合是靠高壓強(qiáng)行脹貼的，容易造成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，再加上溫度和壓力升降時(shí)，內(nèi)襯熱脹冷縮，容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及疲勞，因此不適于使用在有應(yīng)力腐蝕的環(huán)境，較適于高溫條件下(只要不超過(guò)導(dǎo)熱油的沸點(diǎn)或不使導(dǎo)熱油揮發(fā))及有晶間腐蝕傾向的環(huán)境。注意內(nèi)襯夾層間隙下端必須設(shè)置排油孔，以便檢修。其造價(jià)成本低，制造工藝簡(jiǎn)單。

　　6.4封頭型式釜體可采用半球型封頭，橢圓封頭及平蓋等各類(lèi)型封頭。對(duì)于容積(釜體內(nèi)徑)較大的高中壓反應(yīng)釜，常采用半球型封頭，因其受力好，易布置管口。而容積較小的高中壓反應(yīng)釜，則常采用平蓋封頭或橢圓封頭和容器法蘭連接的結(jié)構(gòu)。

　　6.5防止因結(jié)構(gòu)突變而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力對(duì)于高中壓反應(yīng)釜，當(dāng)采用半球型封頭與釜體焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮封頭與釜體的厚度相差不能太大，太大時(shí)，造成結(jié)構(gòu)突變過(guò)大，而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)。

　　6.6考慮安裝和檢修空間反應(yīng)釜內(nèi)因有攪拌裝置、換熱排管等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮有足夠的空間，以便于制造、安裝和檢修。

　　6.7結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單釜內(nèi)各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、順滑，釜底盡可能不設(shè)置排料或排污口等，避免掛料、物料積聚等死區(qū)造成產(chǎn)品各種腐蝕性破壞。

　　6.8保證夾套錐部的強(qiáng)度由于耳座焊在夾套上，故夾套錐部與釜體的連接處承受了整個(gè)釜的重量;設(shè)計(jì)時(shí)，夾套錐部的厚度應(yīng)進(jìn)行局部校核。

　　6.9其它

　　6.9.1人孔蓋、填料壓蓋上的螺柱，由于要經(jīng)常拆裝，其上端應(yīng)加工成方頭，便于操作。

　　6.9.2釜體上應(yīng)有足夠數(shù)量的測(cè)漏信號(hào)孔。

　　6.9.3釜內(nèi)各緊固件螺母應(yīng)防止松脫。

　　6.9.4各種結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少泄漏點(diǎn)。

　　6.9.5釜體上至少應(yīng)有兩個(gè)壓力表接頭。

　　6.9.6必須設(shè)置最少2個(gè)安全排放裝置口(如1個(gè)為自動(dòng)安全排放裝置，另1個(gè)為手動(dòng)排放等)。

　　7制造及檢驗(yàn)要點(diǎn)

　　7.1釜體內(nèi)外兩封頭表面形狀必須吻合。不管是灌鉛或是脹帖成形結(jié)構(gòu)，為確保內(nèi)外兩個(gè)封頭之間的間隙均勻吻合，需要對(duì)已成形后的內(nèi)外封頭重新疊放在一起進(jìn)行沖(旋)壓或?qū)τ谇蚱瑺罱M對(duì)成形的內(nèi)襯，可利用外封頭內(nèi)表面作模具組對(duì)內(nèi)襯球封頭，以減少兩者之間組對(duì)后的間隙，降低組焊后所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力等缺陷。此時(shí)應(yīng)注意將各配對(duì)封頭的相對(duì)位置作好標(biāo)識(shí)，組對(duì)時(shí)不能隨意調(diào)換。

　　7.2一定要嚴(yán)格按圖樣要求控制組裝時(shí)的襯層與基層之間的間隙值，通常規(guī)定：灌鉛為6mm，脹貼為δ=5mm，否則會(huì)極大地影響釜體的成形質(zhì)量及使用壽命。的間隙(δ≥5～7mm，若合攏縫處有墊板時(shí)δ≥3～5mm)。

　　7.4同樣組對(duì)釜體內(nèi)襯筒身時(shí)，也先按定位塊布置圖在釜體上焊定位桿。

　　7.5為確保間隙均勻，使灌鉛工序能順利進(jìn)行，關(guān)鍵是控制好釜體下封頭(即灌鉛入口的封頭)的間隙，具體組對(duì)步驟如下：

　　7.5.1釜體上封頭必須進(jìn)行二次加工成形首先釜體上封頭與機(jī)架凸緣組對(duì)時(shí)，粗加工出機(jī)架凸緣的接合面及封頭端面，注意需預(yù)留15mm以上的精加工余量。

　　7.5.2釜體筒身及下封頭組對(duì)完畢，然后根據(jù)釜體下部的高度尺寸以及上封頭經(jīng)粗加工后的高度尺寸確定內(nèi)襯的總高度尺寸，并按此尺寸加工、組對(duì)好內(nèi)襯。

　　7.5.3對(duì)內(nèi)外釜體進(jìn)行預(yù)裝，以確保上封頭的精加工端面尺寸。預(yù)裝時(shí)，注意上下兩封頭處要布置徑向定位塊(詳見(jiàn)前述)，控制各處間隙，并對(duì)預(yù)裝過(guò)程做好記號(hào)，確保正式組裝時(shí)的位置與預(yù)裝時(shí)相一致。

　　7.5.4正式組裝時(shí)必須設(shè)置停點(diǎn)，嚴(yán)格檢查并控制總裝后各處間隙尺寸，確保上、下封頭，特別是下封頭(即灌鉛口)的間隙為5～7mm，絕不能強(qiáng)行組裝。

　　7.6對(duì)于脹貼成形的結(jié)構(gòu)，同樣要嚴(yán)格按圖樣要求控制組裝時(shí)預(yù)留的脹貼間隙。同時(shí)還需要保證內(nèi)襯頂部與釜體基體法蘭的緊貼平順過(guò)渡，見(jiàn)圖二，避免內(nèi)襯與法蘭襯環(huán)處的角焊縫在脹貼成形以及使用后發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

　　具體要求：內(nèi)襯上端部開(kāi)外坡口，內(nèi)襯套入釜體后與釜體法蘭組對(duì)前，對(duì)內(nèi)襯頂部強(qiáng)行壓貼至接觸釜體法蘭后才能施焊，以減少該組對(duì)角焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性，并嚴(yán)格控制角焊縫質(zhì)量，要求此處的角焊縫采用氬弧焊焊接成形。此外，脹貼成形后還需要進(jìn)一步對(duì)該角焊縫進(jìn)行檢查，確保無(wú)裂紋等缺陷才能進(jìn)入下工序施工。

　　7.7管口坡口型式。釜體封頭上各管口采用圖三所示的外U形全焊透結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)避免采用X型雙面焊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)襯產(chǎn)生過(guò)大的拘束應(yīng)力而造成力集中，從而導(dǎo)致發(fā)生應(yīng)力腐蝕等缺陷。

　　7.8釜體下部設(shè)置管口的結(jié)構(gòu)要求。應(yīng)盡量不采用釜體下部設(shè)置任何管口(如下出料口、排污口等)，以免將來(lái)使用的過(guò)程中出現(xiàn)物料積聚等死區(qū)導(dǎo)致發(fā)生晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕甚至化學(xué)腐蝕等嚴(yán)重破壞釜體安全使用的現(xiàn)象。若必須設(shè)置時(shí)，則可采用圖四所示結(jié)構(gòu)。采用碳鋼凸緣，待灌鉛工作完成后才能組對(duì)不銹鋼排污管。注意結(jié)構(gòu)上要考慮能滿足釜體水壓試驗(yàn)要求。此外還應(yīng)嚴(yán)格控制灌鉛層溫度，釜體底部(灌鉛期間變?yōu)轫敳?采用外局部加熱(利用木炭)時(shí)，注意加熱源與釜體之間的保護(hù)，即木炭不能直接與釜體接觸，木炭和釜之間可設(shè)置鋼板進(jìn)行保護(hù)。注意凡是不銹鋼材料，加熱溫度均不能高于450℃，否則容易產(chǎn)生晶間腐蝕、熱烈紋以及應(yīng)力腐蝕等。圖3圖4

　　7.9對(duì)于帶甲型或乙型容器法蘭結(jié)構(gòu)的釜體，在組焊法蘭時(shí)一定要注意防止產(chǎn)生焊接變形，特別是上封頭與容器法蘭的組對(duì)，由于封頭成形時(shí)有殘余應(yīng)力，封頭端部一旦受熱(如與法蘭組對(duì)焊接時(shí))則會(huì)出現(xiàn)往外翹起的現(xiàn)象，故常采取的措施有：上封頭直段加接100mm～200mm短筒節(jié);選用正確的焊接方法，上、下兩對(duì)法蘭聯(lián)固后才能施焊，焊后對(duì)其進(jìn)行退火處理(碳鋼材料);焊接時(shí)采用封頭內(nèi)部同時(shí)冷卻的措施等。7.10灌鉛或脹貼間隙控制。不管是灌鉛還是脹貼成形結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯與釜體基體的間隙必須嚴(yán)格控制;從預(yù)裝到正式組裝各過(guò)程中均設(shè)置檢查點(diǎn)，確保各點(diǎn)處的間隙盡量均勻一致，并符合圖樣要求，否則不能進(jìn)行下一工序施工。

　　7.10.1灌鉛間隙測(cè)定。需進(jìn)行間隙的水容積測(cè)定，為灌鉛配料提供依據(jù)并判定間隙是否符合設(shè)計(jì)要求。7.10.2脹貼間隙。在液壓脹貼成形后還須進(jìn)行一次充氨檢漏，以確保內(nèi)襯無(wú)漏點(diǎn)，并對(duì)殘留間隙進(jìn)行水容積測(cè)定，以驗(yàn)證脹貼效果。

　　7.11釜體進(jìn)行灌鉛時(shí)，一定要嚴(yán)格按照反應(yīng)釜灌鉛工藝要求進(jìn)行，具體如下：

　　7.11.1鉛銻的配方比：鉛(Pb)80%銻(Sb)20%

　　7.11.2鉛銻金屬的裝爐順序：按鉛銻的配比稱(chēng)重，先裝銻后裝鉛。

　　7.11.3灌鉛測(cè)溫點(diǎn)的分布釜外裝三個(gè)，釜內(nèi)裝二個(gè)(裝熱電偶用毫伏計(jì)測(cè)溫)，并每隔15分鐘記錄溫度一次。另外，在熔鉛爐上亦要裝一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。必要時(shí)用毫伏計(jì)測(cè)溫。

　　7.11.4灌鉛爐溫度的控制

　　7.11.4.1釜外測(cè)溫點(diǎn)平均溫度在350～450℃范圍內(nèi)，則開(kāi)始計(jì)算保溫時(shí)間。

　　7.11.4.2當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)300～320℃范圍后，保溫2小時(shí)后，則可灌入鉛液，并記錄此時(shí)鉛液的溫度和灌鉛后所用時(shí)間。

　　7.11.5灌入鉛銻合金液的溫度必須控制在600～650℃范圍內(nèi)。

　　7.11.6灌鉛結(jié)束后，可通入壓縮空氣進(jìn)行降溫，并注意降溫過(guò)程中添加鉛液，待釜內(nèi)溫度降至150～180℃后，則可隨爐冷卻。注意：在布置加熱塊時(shí)，一定要盡量確保釜內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻一致，不能出現(xiàn)局部過(guò)熱或溫度不足導(dǎo)致灌鉛出現(xiàn)阻礙等現(xiàn)象。灌鉛完畢后，用塞頭堵塞下部各灌鉛口。

　　7.12總裝時(shí)，應(yīng)在試轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下測(cè)定攪拌軸在A、B、C三點(diǎn)處的擺動(dòng)量及軸向串動(dòng)量，以滿足技術(shù)文件的要求。

　　8結(jié)束語(yǔ)

　　多年來(lái)，我公司按此方法的指導(dǎo)設(shè)計(jì)、制造了多臺(tái)灌鉛式和脹貼式內(nèi)襯不銹鋼襯里高壓反應(yīng)釜，質(zhì)量良好，其性能能滿足用戶使用要求。