臥式反應(yīng)釜攪拌口安裝法蘭水平度對(duì)攪拌裝置運(yùn)行的影響

佟立軍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

隨著有色冶煉工程中礦源難處理化的日益加深以及濕法冶金工藝的不斷進(jìn)步，高壓酸浸、氧壓浸出、赤鐵礦除鐵等加壓、高溫冶煉技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。加壓反應(yīng)釜[1]，特別是臥式多隔室連續(xù)反應(yīng)釜(以下簡(jiǎn)稱臥式釜)，作為加壓冶煉的核心設(shè)備在整個(gè)工藝過程中起著舉足輕重的作用。

臥式釜運(yùn)行的好壞取決于多方面因素，從設(shè)計(jì)、計(jì)算、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝、試車到生產(chǎn)操作每個(gè)環(huán)節(jié)都要求嚴(yán)格把控，除了要保障臥式釜本體的使用可靠性外，攪拌裝置[2]的正常、高效和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行同樣重要。而臥式釜攪拌安裝法蘭的水平度誤差問題往往是影響上述要求的主要因素之一，也是最容易被忽視的因素。本篇文章以鈦鋼復(fù)合板臥式釜的工程實(shí)際為例，對(duì)該問題進(jìn)行分析并探討解決方案。

1 攪拌安裝法蘭水平度的影響

國(guó)內(nèi)外大型冶煉工程臥式釜反應(yīng)釜基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，釜體由兩端凸型封頭與中間直筒段組成，橫臥在鞍式支座上，釜內(nèi)用隔板分成多個(gè)隔室，從進(jìn)料端到出料端隔板高度遞減。每個(gè)隔室的上方安裝帶有機(jī)械密封系統(tǒng)的攪拌裝置。根據(jù)工藝要求，釜體上開設(shè)相應(yīng)管口，釜內(nèi)安裝與之配套的零部件。釜體材料為低合金鋼或鈦鋼復(fù)合板。攪拌裝置供貨商提出的攪拌口安裝法蘭水平度要求通常為3‰～4‰。

1.攪拌裝置 2.機(jī)械密封系統(tǒng) 3.攪拌安裝法蘭 4.凸型封頭 5.鞍座 6.隔板 7.直筒段圖1 臥式釜反應(yīng)釜基本結(jié)構(gòu)圖

有色冶煉項(xiàng)目中使用的帶攪拌的壓力容器通常為高溫、加壓反應(yīng)釜，攪拌裝置的密封形式一般為端面機(jī)械密封[3]。該種機(jī)械密封形式要求攪拌軸的圓跳動(dòng)公差要控制在很小的數(shù)值范圍內(nèi)，即攪拌軸的擺動(dòng)量要盡量小，避免密封端面偏磨或錯(cuò)位，影響密封系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成密封失效(端面機(jī)械密封失效原理已經(jīng)有很多文章介紹，這里不再贅述)。在設(shè)計(jì)和制造過程中，我們習(xí)慣于把主要關(guān)注點(diǎn)放在攪拌裝置整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性、復(fù)雜工況的適應(yīng)性、軸承對(duì)軸的約束性、機(jī)械密封剛度和強(qiáng)度的可靠性等方面，忽略了另一個(gè)影響攪拌裝置運(yùn)行的主要因素，就是攪拌裝置安裝法蘭的水平度公差。釜的設(shè)計(jì)者、制造商和使用者通常認(rèn)為，攪拌裝置安裝法蘭的水平度滿足攪拌裝置供貨商要求的數(shù)值即可。于是設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)攪拌裝置供貨商給出的安裝法蘭水平度數(shù)值的上限，在圖紙上對(duì)釜的制造商提出要求。眾所周知，設(shè)備制造過程中加工精度越高，加工工序越復(fù)雜，加工成本越大，則加工周期越長(zhǎng)，釜的制造商從加工成本和周期考慮，加工時(shí)大多按公差上限加工。而使用者對(duì)設(shè)備出廠檢驗(yàn)時(shí)也會(huì)按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。盡管攪拌口安裝法蘭水平度公差看上去數(shù)值很小(a/D,數(shù)量級(jí)為千分之幾毫米)，但是換算到攪拌軸軸端攪拌槳處時(shí)，由于攪拌軸的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攪拌安裝法蘭的密封面直徑D，攪拌槳偏離值會(huì)成比例放大(A=L×a/D)(見圖2)，其造成的影響有以下幾點(diǎn)：

圖2 安裝法蘭水平度影響攪拌偏離示意圖

(1)造成攪拌槳初始安裝時(shí)就已經(jīng)偏離垂直軸線，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，攪拌軸和攪拌槳重力產(chǎn)生的不平衡力傳遞到機(jī)械密封系統(tǒng)的軸承和密封端面上，造成磨損加劇，運(yùn)行噪音大，密封裝置失效。一旦密封失效，必須停車更換。

(2)用于高溫、加壓釜攪拌裝置的機(jī)械密封模塊通常都是整體更換，動(dòng)輒幾十萬上百萬的密封模塊有時(shí)只用了半年甚至幾個(gè)月就報(bào)廢了，臥式釜的多個(gè)攪拌裝置如此頻繁出問題的話，必將造成設(shè)備使用和維護(hù)費(fèi)用的大幅增加，生產(chǎn)成本上升。

(3)一臺(tái)臥式釜有多個(gè)攪拌裝置，每個(gè)攪拌口安裝法蘭水平度的偏移方向是不定的，多個(gè)攪拌裝置在運(yùn)行中振動(dòng)方向和幅度也會(huì)不同，相鄰攪拌裝置的振動(dòng)可能相互制約，也可能相互疊加，攪拌振動(dòng)疊加過程勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致設(shè)備本體和設(shè)備上連接管道、閥門的振動(dòng)加劇，影響正常操作的同時(shí)還會(huì)造成設(shè)備使用壽命的降低。

(4)機(jī)械密封模塊更換時(shí)必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫降壓操作，更換完畢后還要重新升溫升壓到操作工況，且不說是否設(shè)備內(nèi)部為避免沉積需要放空物料，即使不放空物料，一個(gè)升降周期根據(jù)設(shè)備操作壓力和操作溫度的不同從幾天到十幾天都有可能。如果同一臺(tái)釜多個(gè)攪拌裝置的密封系統(tǒng)交替出現(xiàn)故障，不但設(shè)備本體因?yàn)轭l繁升降溫度和壓力而承受循環(huán)載荷有可能出現(xiàn)問題，相關(guān)工藝系統(tǒng)更會(huì)因此而多次停滯，系統(tǒng)堵塞、清理、重啟等對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的完成肯定造成極大影響，業(yè)主損失甚至比更換密封模塊花出去錢要高出幾倍甚至幾十倍不止。

2 工程實(shí)際中的數(shù)據(jù)測(cè)量及分析

考慮到上述攪拌口安裝法蘭水平度可能造成的影響，某工程5隔室鈦鋼復(fù)合板[4]臥式反應(yīng)釜在抵達(dá)工程現(xiàn)場(chǎng)并按照供貨商標(biāo)定的釜體定位基準(zhǔn)將釜安裝到位后，對(duì)釜體上5個(gè)攪拌口安裝法蘭水平度進(jìn)行了測(cè)量。

2.1 初始測(cè)量

2.1.1 測(cè)量方式

測(cè)量采用邊長(zhǎng)250 mm的框式水平儀對(duì)攪拌安裝法蘭密封面沿縱向和橫向分別測(cè)量，由于法蘭密封面直徑超過500 mm，因此在框式水平儀下墊入長(zhǎng)700 mm的專用水平平板。測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)1、3、5隔室攪拌口法蘭密封面不平，均為內(nèi)圈高、外圈低，因此在測(cè)量數(shù)據(jù)中加上了平面度測(cè)量數(shù)據(jù)，既“塞尺塞入數(shù)值”，該數(shù)值為僅為塞尺塞入水平平板與法蘭密封面之間縫隙的厚度(如圖3所示)，目的是檢測(cè)法蘭密封面的平面度，非檢測(cè)管口密封面水平度。

圖3 平面度測(cè)量示意圖

臥式釜攪拌管口安裝法蘭水平度測(cè)量方式如圖4所示，縱向測(cè)量為沿臥式釜釜體軸線方向，左高右低為正值，左低右高為負(fù)值。橫向測(cè)量為垂直臥式釜釜體軸線方向，上高下低為正值，上低下高為負(fù)值。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 攪拌管口安裝法蘭水平度測(cè)量方式示意圖

攪拌口法蘭位置縱向水平度測(cè)量值/(mm/1000mm)橫向水平度測(cè)量值/(mm/1000mm)平面度測(cè)量塞尺塞入數(shù)值/mm1隔室-1.22+0.220.302隔室+2.16+0.26不可塞入3隔室+0.82-0.180.304隔室-2.60-0.40不可塞入5隔室-0.36-0.240.25

2.1.2 平面度誤差原因分析

鈦鋼復(fù)合板臥式釜攪拌管口安裝法蘭結(jié)構(gòu)如圖5所示，其安裝法蘭密封面實(shí)際上是鈦襯環(huán)的上表面，該處結(jié)構(gòu)為鈦螺釘緊固加銀釬焊密封。由于銀釬焊為非強(qiáng)度焊接，只是為了無損檢測(cè)時(shí)對(duì)鈦襯環(huán)與法蘭表面的間隙進(jìn)行封閉用，因此臥式釜在制造完畢進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，相對(duì)厚度較薄的鈦襯環(huán)會(huì)產(chǎn)生熱變形，而銀釬焊和鈦螺釘緊固力不足以限制其變形，導(dǎo)致鈦密封環(huán)翹起，導(dǎo)致平面度誤差增大。

1.攪拌安裝法蘭 2.銀釬焊 3.鈦襯環(huán) 4.鈦螺釘 5.鈦塞焊 6.密封面圖5 攪拌管口安裝法蘭結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)備承載后二次測(cè)量

考慮到表1數(shù)據(jù)是臥式釜空載下測(cè)量的，實(shí)際盛裝物料后造成的基礎(chǔ)沉降會(huì)影響此數(shù)據(jù)在實(shí)際工況條件下的可靠性，因此，將臥式釜充滿水靜置兩周后，對(duì)臥式釜安裝基礎(chǔ)的沉降和5個(gè)攪拌口安裝法蘭的水平度進(jìn)行了二次測(cè)量，得到如表2數(shù)據(jù)(測(cè)量方式同2.1.1)。

由于安裝基礎(chǔ)的沉降數(shù)值極小，換算成單位長(zhǎng)度的偏差只有0.000 4 mm/m,因此該沉降數(shù)值未計(jì)入表2數(shù)據(jù)。

表2 二次測(cè)量數(shù)據(jù)表

2.3 數(shù)據(jù)分析

從兩次測(cè)量結(jié)果可以看出，該工程臥式反應(yīng)釜5個(gè)隔室攪拌法蘭的密封面水平度在橫向數(shù)值上比較令人滿意，但縱向數(shù)值偏差稍大，且水平度偏離方向并不一致(如2隔室左高右低，4隔室左低右高)。盡管這些數(shù)值仍在攪拌供貨商提供的允許數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)(該工程為3.5‰),但由于該工程攪拌軸較長(zhǎng)，換算到軸端攪拌槳處最大偏離達(dá)到11.5 mm，業(yè)主認(rèn)為該偏離在運(yùn)行時(shí)疊加礦漿液流沖擊和設(shè)備、管道振動(dòng)后的放大會(huì)影響機(jī)械密封壽命和正常生產(chǎn)，同時(shí)平面度誤差增加對(duì)法蘭連接處密封也會(huì)有影響，因此要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)二次加工。

2.4 問題處理

2.4.1 處理原則

(1)盡可能減小加工后的水平度和平面度公差；

(2)盡可能減少加工量，保證鈦襯環(huán)厚度不低于最小設(shè)計(jì)厚度(7 mm)，鈦塞焊在二次加工時(shí)不被破壞；

2.4.2 處理方法

處理方法如表3所示：

(1)根據(jù)第二次測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)臥式釜基礎(chǔ)進(jìn)行微調(diào)；

表3 安裝法蘭二次加工數(shù)據(jù)表

(2)使用專用加工工具對(duì)攪拌口法蘭密封面進(jìn)行微量加工(如圖6所示)；

(3)加工后復(fù)驗(yàn)。

圖6 安裝法蘭二次加工示意圖

二次加工后，該設(shè)備經(jīng)歷試車、試運(yùn)行、正常生產(chǎn)運(yùn)行，迄今為止近20個(gè)月，攪拌裝置及機(jī)械密封運(yùn)行良好，設(shè)備振動(dòng)很小，業(yè)主非常滿意。

3 結(jié)語

(1)建議制造廠在對(duì)鈦鋼復(fù)合板設(shè)備進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)后，對(duì)攪拌管口進(jìn)行水平度和平面度復(fù)驗(yàn)，與業(yè)主和設(shè)計(jì)單位充分溝通，需要再次加工的應(yīng)在出廠前完成，將變形誤差控制在制造過程內(nèi)，避免設(shè)備運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)二次加工。

(2)無論攪拌口密封面是襯環(huán)結(jié)構(gòu)還是非襯環(huán)結(jié)構(gòu)，攪拌設(shè)備是臥式釜還是立式釜，該類問題同樣會(huì)出現(xiàn)在各種帶有端面機(jī)械密封的攪拌釜上，設(shè)計(jì)不同類型、不同規(guī)格設(shè)備時(shí)設(shè)計(jì)者應(yīng)有針對(duì)性的對(duì)該類容易被忽視的問題加以重視并提出相應(yīng)要求。

(3)攪拌口安裝法蘭水平度不應(yīng)只以攪拌供貨商限定數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，應(yīng)綜合考慮其數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備整體運(yùn)行、維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，不但要從設(shè)計(jì)角度考慮問題，還應(yīng)站在釜體制造商和業(yè)主的角度思考問題，全方位把控設(shè)計(jì)質(zhì)量。