高压反应釜的技术设计及制造要点

　　近年来，反应釜的泄漏、火灾、爆炸事故屡屡发生。由于釜内常常装有有毒有害的危险化学品，事故后果较之一般爆炸事故更为严重。开发具有国际先进发展方向和水平， 而又安全稳定的大型高中压反应釜势在必行。

　　反应釜常用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等行业，用以完成磺化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程，以及有机染料和中间体的许多其它工艺过程的反应设备。高压反应釜是国内目前进行高温、高压化学反应最为理想的装置，特别是进行易燃、易爆、有毒介质的化学反应，更加显示出它的优越性。但高压反应釜同时也是危险性较大、容易发生泄漏和火灾爆炸事故的设备。

　　1、技术参数的确定

　　技术参数的确定是进行反应釜设计的第一步，也是关键的一步，它包括：

　　1.1 设计压力(或最高工作压力)、设计温度(或最高工作温度)当用户提供的只是最高工作压力和最高工作温度时，先根据物料性质确定安全排放装置的形式、种类，再依据GB150-1998《钢制压力容器》附录B“超压泄放装置”的有关要求确定设计压力及设计温度。

　　1.2 釜内容积釜内容积分为有效容积与全容积，用户一般给出的为有效容积(即操作容积)。此时，必须根据安全生产的要求确定物料充装系数，充装数一般为0.6～0.85，对于有容器法兰结构的釜体，物料充装高度不宜超出容器法兰密封面。

　　1.3 物料名称及特性是确定结构及选材的重要因素。

　　1.4 搅拌器型式及搅拌转速这关系到搅拌功率的大小及搅拌效果的好坏。

　　1.5 电机功率若用户不能提供时，则必须要知道物料粘度、搅拌器型式、直径及搅拌转速，按“搅拌设备的计算”要求确定所需的搅拌功率，再计入轴封、轴承及减速机与传动副所损耗的功率，向上圆整标准的电机功率。

　　2、轴封型式的确定

　　目前常用的轴封型式有三种，即：填料密封、机械密封和磁力传动密封。

　　2.1填料密封一般用于低转速、轴封泄漏要求不是很高的条件下，其最高压力一般可达到30MPa;且维护和使用方便，但转速受到填料种类及线速度限制。在P≤6.4MPa，且转速≤100rpm时，可采用无油润滑的单层填料函结构;在P>6.4MPa，且转速>100rpm则要考虑设置高压油泵加强润滑，并采用多级(二级)填料结构函，确保每级不少于7层填料函。同时还需考虑对搅拌轴封处进行镀铬处理，增加轴的耐磨性，或设置套管以保护搅拌轴不受磨损，届时更换套管即可。

　　2.2机械密封可用于高转速、轴封泄漏要求较底的条件下。其使用压力不高，一般用于6.3 MPa以下场合，其维护使用不便，价格也较高。

　　2.3磁力传动密封一般用于轴封泄漏要求非常高的条件下。它将动密封转为静密封，实现零泄漏。但不适合用于高温条件下，其造价高且维护不便。

　　3、搅拌轴径及传动侧两轴承间距离的确定

　　3.1搅拌轴径一般是根据搅拌功率、搅拌转速等扭转变形条件进行计算，从而估算搅拌轴径，再按临界转速、搅拌轴的强度来校核轴径。当无法确定搅拌功率时，可直接采用电机功率减去各传动副损耗的功率作为计算功率。

　　3.2计算搅拌轴在轴封、轴端处的摆动量。

　　3.3当临界搅拌速以及轴封、轴端处的摆动量不能满足要求时，可通过调整传动侧两轴承间的距离进行重新校核，通常两轴承间的距离取值为2.5～5倍搅拌轴直径。当仍无法达到要求时，则应考虑加大搅拌轴的轴径或在釜内设置底轴承。

　　3.4轴封处搅拌轴摆动量的确定。轴封处搅拌轴摆动量的大小，直接影响到轴封的密封性能。允许摆动量的大小由釜内压力、允许泄漏量来确定。当不能加大轴径，而设置底部轴承仍无法达到允许摆动量时，可在釜内靠近轴封处设置中间轴承(尽量不在釜内设置轴承)。一般情况下，轴封处摆量应控制为：填料密封：0.08mm～0.13mm，机械密封：0.04mm～0.08mm。

　　4、减速机输出轴与传动轴的连接

　　当减速机机架采用单支点时，需要用钢性联轴器连接;当减速机机架采用双支点时，刚性联轴器和柔性联轴器均可使用，一般情况下优先选用刚性联轴器。

　　5、传动轴

　　传动轴尽可能采用单根轴，需采用多根轴时，则各根轴之间的连接必须采用刚性连接。

　　6、选材及结构考虑

　　6.1材料选择考虑根据物料的特性：

　　①无腐蚀，②有晶间腐蚀，③有应力腐蚀，④有化学腐蚀等来确定是选用碳钢，还是选用不锈钢及选用何种不锈钢。在有晶间腐蚀倾向的情况下，应选用经固溶处理的不锈钢材料。

　　6.2物料考虑当物料有腐蚀需采用不锈钢作为防腐蚀材料时，可选用三种结构：

　　①全不锈钢结构，②内衬不锈钢结构，③复合板结构。具体采用何种结构，应根据壁厚、制造工艺及经济性能等综合考虑而定。在会产生应力腐蚀及晶间腐蚀的环境下，不宜采用全不锈钢结构，否则会因为材料突然脆裂而发生严重事故。

　　6.3内衬不锈钢结构

　　内衬不锈钢结构有两种：①传统灌铅式内衬不锈钢，②胀贴式内衫不锈钢。此两种结构对不同的使用场合有不同的优缺点。

　　6.3.1灌铅式内衬不锈钢结构，其内衬与釜体间的间隙充满了铅，其传热与刚度性能优越，无结构突变，较适用于应力腐蚀环境。但灌铅时难以控制灌铅温度，容易过热，使不锈钢的抗晶间腐蚀性能降低，加上铅、锑合金熔点低，不适于高温工况条件，通常最高工作温度≤250℃。总体上其造价成本高，制造工艺较复杂。

　　6.3.2胀贴式内衬不锈钢结构，其内衬与釜体间的间隙充满导热油，其传热与刚度性能较差。内衬与釜体间的贴合是靠高压强行胀贴的，容易造成局部应力集中现象，再加上温度和压力升降时，内衬热胀冷缩，容易产生内应力及疲劳，因此不适于使用在有应力腐蚀的环境，较适于高温条件下(只要不超过导热油的沸点或不使导热油挥发)及有晶间腐蚀倾向的环境。注意内衬夹层间隙下端必须设置排油孔，以便检修。其造价成本低，制造工艺简单。

　　6.4封头型式釜体可采用半球型封头，椭圆封头及平盖等各类型封头。对于容积(釜体内径)较大的高中压反应釜，常采用半球型封头，因其受力好，易布置管口。而容积较小的高中压反应釜，则常采用平盖封头或椭圆封头和容器法兰连接的结构。

　　6.5防止因结构突变而产生附加弯曲应力对于高中压反应釜，当采用半球型封头与釜体焊接结构时，应考虑封头与釜体的厚度相差不能太大，太大时，造成结构突变过大，而产生附加弯曲应力，出现危险区。

　　6.6考虑安装和检修空间反应釜内因有搅拌装置、换热排管等内部结构，设计时，应考虑有足够的空间，以便于制造、安装和检修。

　　6.7结构尽量简单釜内各结构设计，应尽量简单、顺滑，釜底尽可能不设置排料或排污口等，避免挂料、物料积聚等死区造成产品各种腐蚀性破坏。

　　6.8保证夹套锥部的强度由于耳座焊在夹套上，故夹套锥部与釜体的连接处承受了整个釜的重量;设计时，夹套锥部的厚度应进行局部校核。

　　6.9其它

　　6.9.1人孔盖、填料压盖上的螺柱，由于要经常拆装，其上端应加工成方头，便于操作。

　　6.9.2釜体上应有足够数量的测漏信号孔。

　　6.9.3釜内各紧固件螺母应防止松脱。

　　6.9.4各种结构应尽量减少泄漏点。

　　6.9.5釜体上至少应有两个压力表接头。

　　6.9.6必须设置最少2个安全排放装置口(如1个为自动安全排放装置，另1个为手动排放等)。

　　7、制造及检验要点

　　7.1釜体内外两封头表面形状必须吻合。不管是灌铅或是胀帖成形结构，为确保内外两个封头之间的间隙均匀吻合，需要对已成形后的内外封头重新叠放在一起进行冲(旋)压或对于球片状组对成形的内衬，可利用外封头内表面作模具组对内衬球封头，以减少两者之间组对后的间隙，降低组焊后所产生的焊接残余应力等缺陷。此时应注意将各配对封头的相对位置作好标识，组对时不能随意调换。

　　7.2一定要严格按图样要求控制组装时的衬层与基层之间的间隙值，通常规定：灌铅为6mm，胀贴为δ=5mm，否则会极大地影响釜体的成形质量及使用寿命。的间隙(δ≥5～7mm，若合拢缝处有垫板时δ≥3～5mm)。

　　7.4同样组对釜体内衬筒身时，也先按定位块布置图在釜体上焊定位杆。

　　7.5为确保间隙均匀，使灌铅工序能顺利进行，关键是控制好釜体下封头(即灌铅入口的封头)的间隙，具体组对步骤如下：

　　7.5.1釜体上封头必须进行二次加工成形首先釜体上封头与机架凸缘组对时，粗加工出机架凸缘的接合面及封头端面，注意需预留15mm以上的精加工余量。

　　7.5.2釜体筒身及下封头组对完毕，然后根据釜体下部的高度尺寸以及上封头经粗加工后的高度尺寸确定内衬的总高度尺寸，并按此尺寸加工、组对好内衬。

　　7.5.3对内外釜体进行预装，以确保上封头的精加工端面尺寸。预装时，注意上下两封头处要布置径向定位块(详见前述)，控制各处间隙，并对预装过程做好记号，确保正式组装时的位置与预装时相一致。

　　7.5.4正式组装时必须设置停点，严格检查并控制总装后各处间隙尺寸，确保上、下封头，特别是下封头(即灌铅口)的间隙为5～7mm，绝不能强行组装。

　　7.6对于胀贴成形的结构，同样要严格按图样要求控制组装时预留的胀贴间隙。同时还需要保证内衬顶部与釜体基体法兰的紧贴平顺过渡，见图二，避免内衬与法兰衬环处的角焊缝在胀贴成形以及使用后发生断裂现象。

　　具体要求：内衬上端部开外坡口，内衬套入釜体后与釜体法兰组对前，对内衬顶部强行压贴至接触釜体法兰后才能施焊，以减少该组对角焊缝产生裂纹的可能性，并严格控制角焊缝质量，要求此处的角焊缝采用氩弧焊焊接成形。此外，胀贴成形后还需要进一步对该角焊缝进行检查，确保无裂纹等缺陷才能进入下工序施工。

　　7.7管口坡口型式。釜体封头上各管口采用图三所示的外U形全焊透结构形式，应避免采用X型双面焊结构导致内衬产生过大的拘束应力而造成力集中，从而导致发生应力腐蚀等缺陷。

　　7.8釜体下部设置管口的结构要求。应尽量不采用釜体下部设置任何管口(如下出料口、排污口等)，以免将来使用的过程中出现物料积聚等死区导致发生晶间腐蚀及应力腐蚀甚至化学腐蚀等严重破坏釜体安全使用的现象。若必须设置时，则可采用图四所示结构。采用碳钢凸缘，待灌铅工作完成后才能组对不锈钢排污管。注意结构上要考虑能满足釜体水压试验要求。此外还应严格控制灌铅层温度，釜体底部(灌铅期间变为顶部)采用外局部加热(利用木炭)时，注意加热源与釜体之间的保护，即木炭不能直接与釜体接触，木炭和釜之间可设置钢板进行保护。注意凡是不锈钢材料，加热温度均不能高于450℃，否则容易产生晶间腐蚀、热烈纹以及应力腐蚀等。图3图4

　　7.9对于带甲型或乙型容器法兰结构的釜体，在组焊法兰时一定要注意防止产生焊接变形，特别是上封头与容器法兰的组对，由于封头成形时有残余应力，封头端部一旦受热(如与法兰组对焊接时)则会出现往外翘起的现象，故常采取的措施有：上封头直段加接100mm～200mm短筒节;选用正确的焊接方法，上、下两对法兰联固后才能施焊，焊后对其进行退火处理(碳钢材料);焊接时采用封头内部同时冷却的措施等。7.10灌铅或胀贴间隙控制。不管是灌铅还是胀贴成形结构，内衬与釜体基体的间隙必须严格控制;从预装到正式组装各过程中均设置检查点，确保各点处的间隙尽量均匀一致，并符合图样要求，否则不能进行下一工序施工。

　　7.10.1灌铅间隙测定。需进行间隙的水容积测定，为灌铅配料提供依据并判定间隙是否符合设计要求。7.10.2胀贴间隙。在液压胀贴成形后还须进行一次充氨检漏，以确保内衬无漏点，并对残留间隙进行水容积测定，以验证胀贴效果。

　　7.11釜体进行灌铅时，一定要严格按照反应釜灌铅工艺要求进行，具体如下：

　　7.11.1铅锑的配方比：铅(Pb)80%锑(Sb)20%

　　7.11.2铅锑金属的装炉顺序：按铅锑的配比称重，先装锑后装铅。

　　7.11.3灌铅测温点的分布釜外装三个，釜内装二个(装热电偶用毫伏计测温)，并每隔15分钟记录温度一次。另外，在熔铅炉上亦要装一个测温点。必要时用毫伏计测温。

　　7.11.4灌铅炉温度的控制

　　7.11.4.1釜外测温点平均温度在350～450℃范围内，则开始计算保温时间。

　　7.11.4.2当釜内温度达300～320℃范围后，保温2小时后，则可灌入铅液，并记录此时铅液的温度和灌铅后所用时间。

　　7.11.5灌入铅锑合金液的温度必须控制在600～650℃范围内。

　　7.11.6灌铅结束后，可通入压缩空气进行降温，并注意降温过程中添加铅液，待釜内温度降至150～180℃后，则可随炉冷却。注意：在布置加热块时，一定要尽量确保釜内各点温度均匀一致，不能出现局部过热或温度不足导致灌铅出现阻碍等现象。灌铅完毕后，用塞头堵塞下部各灌铅口。

　　7.12总装时，应在试转动的情况下测定搅拌轴在A、B、C三点处的摆动量及轴向串动量，以满足技术文件的要求。