高壓反應釜的技術(shù)設(shè)計及制造要點

　　近年來，反應釜的泄漏、火災、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化學品，事故后果較之一般爆炸事故更為嚴重。開發(fā)具有國際先進發(fā)展方向和水平， 而又安全穩(wěn)定的大型高中壓反應釜勢在必行。

　　反應釜常用于石油化工、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、縮合等工藝過程，以及有機染料和中間體的許多其它工藝過程的反應設(shè)備。高壓反應釜是國內(nèi)目前進行高溫、高壓化學反應最為理想的裝置，特別是進行易燃、易爆、有毒介質(zhì)的化學反應，更加顯示出它的優(yōu)越性。但高壓反應釜同時也是危險性較大、容易發(fā)生泄漏和火災爆炸事故的設(shè)備。

　　1、技術(shù)參數(shù)的確定

　　技術(shù)參數(shù)的確定是進行反應釜設(shè)計的第一步，也是關(guān)鍵的一步，它包括：

　　1.1 設(shè)計壓力(或最高工作壓力)、設(shè)計溫度(或最高工作溫度)當用戶提供的只是最高工作壓力和最高工作溫度時，先根據(jù)物料性質(zhì)確定安全排放裝置的形式、種類，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)計壓力及設(shè)計溫度。

　　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，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 電機功率若用戶不能提供時，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)備的計算”要求確定所需的攪拌功率，再計入軸封、軸承及減速機與傳動副所損耗的功率，向上圓整標準的電機功率。

　　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、機械密封和磁力傳動密封。

　　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到30MPa;且維護和使用方便，但轉(zhuǎn)速受到填料種類及線速度限制。在P≤6.4MPa，且轉(zhuǎn)速≤100rpm時，可采用無油潤滑的單層填料函結(jié)構(gòu);在P>6.4MPa，且轉(zhuǎn)速>100rpm則要考慮設(shè)置高壓油泵加強潤滑，并采用多級(二級)填料結(jié)構(gòu)函，確保每級不少于7層填料函。同時還需考慮對攪拌軸封處進行鍍鉻處理，增加軸的耐磨性，或設(shè)置套管以保護攪拌軸不受磨損，屆時更換套管即可。

　　2.2機械密封可用于高轉(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以下場合，其維護使用不便，價格也較高。

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

　　3、攪拌軸徑及傳動側(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)變形條件進行計算，從而估算攪拌軸徑，再按臨界轉(zhuǎn)速、攪拌軸的強度來校核軸徑。當無法確定攪拌功率時，可直接采用電機功率減去各傳動副損耗的功率作為計算功率。

　　3.2計算攪拌軸在軸封、軸端處的擺動量。

　　3.3當臨界攪拌速以及軸封、軸端處的擺動量不能滿足要求時，可通過調(diào)整傳動側(cè)兩軸承間的距離進行重新校核，通常兩軸承間的距離取值為2.5～5倍攪拌軸直徑。當仍無法達到要求時，則應考慮加大攪拌軸的軸徑或在釜內(nèi)設(shè)置底軸承。

　　3.4軸封處攪拌軸擺動量的確定。軸封處攪拌軸擺動量的大小，直接影響到軸封的密封性能。允許擺動量的大小由釜內(nèi)壓力、允許泄漏量來確定。當不能加大軸徑，而設(shè)置底部軸承仍無法達到允許擺動量時，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，軸封處擺量應控制為：填料密封：0.08mm～0.13mm，機械密封：0.04mm～0.08mm。

　　4、減速機輸出軸與傳動軸的連接

　　當減速機機架采用單支點時，需要用鋼性聯(lián)軸器連接;當減速機機架采用雙支點時，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、傳動軸

　　傳動軸盡可能采用單根軸，需采用多根軸時，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：

　　①無腐蝕，②有晶間腐蝕，③有應力腐蝕，④有化學腐蝕等來確定是選用碳鋼，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，應選用經(jīng)固溶處理的不銹鋼材料。

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

　�、偃�不銹鋼結(jié)構(gòu)，②內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)，③復合板結(jié)構(gòu)。具體采用何種結(jié)構(gòu)，應根據(jù)壁厚、制造工藝及經(jīng)濟性能等綜合考慮而定。在會產(chǎn)生應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)，否則會因為材料突然脆裂而發(fā)生嚴重事故。

　　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)對不同的使用場合有不同的優(yōu)缺點。

　　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，無結(jié)構(gòu)突變，較適用于應力腐蝕環(huán)境。但灌鉛時難以控制灌鉛溫度，容易過熱，使不銹鋼的抗晶間腐蝕性能降低，加上鉛、銻合金熔點低，不適于高溫工況條件，通常最高工作溫度≤250℃�？傮w上其造價成本高，制造工藝較復雜。

　　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行脹貼的，容易造成局部應力集中現(xiàn)象，再加上溫度和壓力升降時，內(nèi)襯熱脹冷縮，容易產(chǎn)生內(nèi)應力及疲勞，因此不適于使用在有應力腐蝕的環(huán)境，較適于高溫條件下(只要不超過導熱油的沸點或不使導熱油揮發(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。其造價成本低，制造工藝簡單。

　　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型封頭。對于容積(釜體內(nèi)徑)較大的高中壓反應釜，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)生附加彎曲應力對于高中壓反應釜，當采用半球型封頭與釜體焊接結(jié)構(gòu)時，應考慮封頭與釜體的厚度相差不能太大，太大時，造成結(jié)構(gòu)突變過大，而產(chǎn)生附加彎曲應力，出現(xiàn)危險區(qū)。

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

　　6.7結(jié)構(gòu)盡量簡單釜內(nèi)各結(jié)構(gòu)設(shè)計，應盡量簡單、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釜的重量;設(shè)計時，夾套錐部的厚度應進行局部校核。

　　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，其上端應加工成方頭，便于操作。

　　6.9.2釜體上應有足夠數(shù)量的測漏信號孔。

　　6.9.3釜內(nèi)各緊固件螺母應防止松脫。

　　6.9.4各種結(jié)構(gòu)應盡量減少泄漏點。

　　6.9.5釜體上至少應有兩個壓力表接頭。

　　6.9.6必須設(shè)置最少2個安全排放裝置口(如1個為自動安全排放裝置，另1個為手動排放等)。

　　7、制造及檢驗要點

　　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)外兩個封頭之間的間隙均勻吻合，需要對已成形后的內(nèi)外封頭重新疊放在一起進行沖(旋)壓或?qū)τ谇蚱瑺罱M對成形的內(nèi)襯，可利用外封頭內(nèi)表面作模具組對內(nèi)襯球封頭，以減少兩者之間組對后的間隙，降低組焊后所產(chǎn)生的焊接殘余應力等缺陷。此時應注意將各配對封頭的相對位置作好標識，組對時不能隨意調(diào)換。

　　7.2一定要嚴格按圖樣要求控制組裝時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δ≥3～5mm)。

　　7.4同樣組對釜體內(nèi)襯筒身時，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，具體組對步驟如下：

　　7.5.1釜體上封頭必須進行二次加工成形首先釜體上封頭與機架凸緣組對時，粗加工出機架凸緣的接合面及封頭端面，注意需預留15mm以上的精加工余量。

　　7.5.2釜體筒身及下封頭組對完畢，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、組對好內(nèi)襯。

　　7.5.3對內(nèi)外釜體進行預裝，以確保上封頭的精加工端面尺寸。預裝時，注意上下兩封頭處要布置徑向定位塊(詳見前述)，控制各處間隙，并對預裝過程做好記號，確保正式組裝時的位置與預裝時相一致。

　　7.5.4正式組裝時必須設(shè)置停點，嚴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，絕不能強行組裝。

　　7.6對于脹貼成形的結(jié)構(gòu)，同樣要嚴格按圖樣要求控制組裝時預留的脹貼間隙。同時還需要保證內(nèi)襯頂部與釜體基體法蘭的緊貼平順過渡，見圖二，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)襯上端部開外坡口，內(nèi)襯套入釜體后與釜體法蘭組對前，對內(nèi)襯頂部強行壓貼至接觸釜體法蘭后才能施焊，以減少該組對角焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性，并嚴格控制角焊縫質(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一步對該角焊縫進行檢查，確保無裂紋等缺陷才能進入下工序施工。

　　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，應避免采用X型雙面焊結(jié)構(gòu)導致內(nèi)襯產(chǎn)生過大的拘束應力而造成力集中，從而導致發(fā)生應力腐蝕等缺陷。

　　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)，以免將來使用的過程中出現(xiàn)物料積聚等死區(qū)導致發(fā)生晶間腐蝕及應力腐蝕甚至化學腐蝕等嚴重破壞釜體安全使用的現(xiàn)象。若必須設(shè)置時，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要求。此外還應嚴格控制灌鉛層溫度，釜體底部(灌鉛期間變?yōu)轫敳?采用外局部加熱(利用木炭)時，注意加熱源與釜體之間的保護，即木炭不能直接與釜體接觸，木炭和釜之間可設(shè)置鋼板進行保護。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、熱烈紋以及應力腐蝕等。圖3圖4

　　7.9對于帶甲型或乙型容器法蘭結(jié)構(gòu)的釜體，在組焊法蘭時一定要注意防止產(chǎn)生焊接變形，特別是上封頭與容器法蘭的組對，由于封頭成形時有殘余應力，封頭端部一旦受熱(如與法蘭組對焊接時)則會出現(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、下兩對法蘭聯(lián)固后才能施焊，焊后對其進行退火處理(碳鋼材料);焊接時采用封頭內(nèi)部同時冷卻的措施等。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格控制;從預裝到正式組裝各過程中均設(shè)置檢查點，確保各點處的間隙盡量均勻一致，并符合圖樣要求，否則不能進行下一工序施工。

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

　　7.11釜體進行灌鉛時，一定要嚴格按照反應釜灌鉛工藝要求進行，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：按鉛銻的配比稱重，先裝銻后裝鉛。

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

　　7.11.4灌鉛爐溫度的控制

　　7.11.4.1釜外測溫點平均溫度在350～450℃范圍內(nèi)，則開始計算保溫時間。

　　7.11.4.2當釜內(nèi)溫度達300～320℃范圍后，保溫2小時后，則可灌入鉛液，并記錄此時鉛液的溫度和灌鉛后所用時間。

　　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，可通入壓縮空氣進行降溫，并注意降溫過程中添加鉛液，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，一定要盡量確保釜內(nèi)各點溫度均勻一致，不能出現(xiàn)局部過熱或溫度不足導致灌鉛出現(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，應在試轉(zhuǎn)動的情況下測定攪拌軸在A、B、C三點處的擺動量及軸向串動量，以滿足技術(shù)文件的要求。