臥式反應釜攪拌口安裝法蘭水平度對攪拌裝置運行的影響

佟立軍

(中國恩菲工程技術有限公司， 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步，高壓酸浸、氧壓浸出、赤鐵礦除鐵等加壓、高溫冶煉技術在國內外得到了廣泛應用。加壓反應釜[1]，特別是臥式多隔室連續反應釜(以下簡稱臥式釜)，作為加壓冶煉的核心設備在整個工藝過程中起著舉足輕重的作用。

臥式釜運行的好壞取決于多方面因素，從設計、計算、制造、檢驗、運輸、安裝、試車到生產操作每個環節都要求嚴格把控，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、高效和經濟性運行同樣重要。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。本篇文章以鈦鋼復合板臥式釜的工程實際為例，對該問題進行分析并探討解決方案。

1 攪拌安裝法蘭水平度的影響

國內外大型冶煉工程臥式釜反應釜基本結構如圖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，釜內用隔板分成多個隔室，從進料端到出料端隔板高度遞減。每個隔室的上方安裝帶有機械密封系統的攪拌裝置。根據工藝要求，釜體上開設相應管口，釜內安裝與之配套的零部件。釜體材料為低合金鋼或鈦鋼復合板。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.機械密封系統 3.攪拌安裝法蘭 4.凸型封頭 5.鞍座 6.隔板 7.直筒段圖1 臥式釜反應釜基本結構圖

有色冶煉項目中使用的帶攪拌的壓力容器通常為高溫、加壓反應釜，攪拌裝置的密封形式一般為端面機械密封[3]。該種機械密封形式要求攪拌軸的圓跳動公差要控制在很小的數值范圍內，即攪拌軸的擺動量要盡量小，避免密封端面偏磨或錯位，影響密封系統的正常運行，造成密封失效(端面機械密封失效原理已經有很多文章介紹，這里不再贅述)。在設計和制造過程中，我們習慣于把主要關注點放在攪拌裝置整套系統的穩定性、復雜工況的適應性、軸承對軸的約束性、機械密封剛度和強度的可靠性等方面，忽略了另一個影響攪拌裝置運行的主要因素，就是攪拌裝置安裝法蘭的水平度公差。釜的設計者、制造商和使用者通常認為，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值即可。于是設計者會根據攪拌裝置供貨商給出的安裝法蘭水平度數值的上限，在圖紙上對釜的制造商提出要求。眾所周知，設備制造過程中加工精度越高，加工工序越復雜，加工成本越大，則加工周期越長，釜的制造商從加工成本和周期考慮，加工時大多按公差上限加工。而使用者對設備出廠檢驗時也會按照這個標準執行。盡管攪拌口安裝法蘭水平度公差看上去數值很小(a/D,數量級為千分之幾毫米)，但是換算到攪拌軸軸端攪拌槳處時，由于攪拌軸的長度L遠遠大于攪拌安裝法蘭的密封面直徑D，攪拌槳偏離值會成比例放大(A=L×a/D)(見圖2)，其造成的影響有以下幾點：

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就已經偏離垂直軸線，運轉過程中，攪拌軸和攪拌槳重力產生的不平衡力傳遞到機械密封系統的軸承和密封端面上，造成磨損加劇，運行噪音大，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械密封模塊通常都是整體更換，動輒幾十萬上百萬的密封模塊有時只用了半年甚至幾個月就報廢了，臥式釜的多個攪拌裝置如此頻繁出問題的話，必將造成設備使用和維護費用的大幅增加，生產成本上升。

(3)一臺臥式釜有多個攪拌裝置，每個攪拌口安裝法蘭水平度的偏移方向是不定的，多個攪拌裝置在運行中振動方向和幅度也會不同，相鄰攪拌裝置的振動可能相互制約，也可能相互疊加，攪拌振動疊加過程勢必會導致設備本體和設備上連接管道、閥門的振動加劇，影響正常操作的同時還會造成設備使用壽命的降低。

(4)機械密封模塊更換時必須對設備進行降溫降壓操作，更換完畢后還要重新升溫升壓到操作工況，且不說是否設備內部為避免沉積需要放空物料，即使不放空物料，一個升降周期根據設備操作壓力和操作溫度的不同從幾天到十幾天都有可能。如果同一臺釜多個攪拌裝置的密封系統交替出現故障，不但設備本體因為頻繁升降溫度和壓力而承受循環載荷有可能出現問題，相關工藝系統更會因此而多次停滯，系統堵塞、清理、重啟等對生產任務的完成肯定造成極大影響，業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 工程實際中的數據測量及分析

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隔室鈦鋼復合板[4]臥式反應釜在抵達工程現場并按照供貨商標定的釜體定位基準將釜安裝到位后，對釜體上5個攪拌口安裝法蘭水平度進行了測量。

2.1 初始測量

2.1.1 測量方式

測量采用邊長250 mm的框式水平儀對攪拌安裝法蘭密封面沿縱向和橫向分別測量，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700 mm的專用水平平板。測量過程中發現1、3、5隔室攪拌口法蘭密封面不平，均為內圈高、外圈低，因此在測量數據中加上了平面度測量數據，既“塞尺塞入數值”，該數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)，目的是檢測法蘭密封面的平面度，非檢測管口密封面水平度。

圖3 平面度測量示意圖

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

圖4 攪拌管口安裝法蘭水平度測量方式示意圖

攪拌口法蘭位置縱向水平度測量值/(mm/1000mm)橫向水平度測量值/(mm/1000mm)平面度測量塞尺塞入數值/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

鈦鋼復合板臥式釜攪拌管口安裝法蘭結構如圖5所示，其安裝法蘭密封面實際上是鈦襯環的上表面，該處結構為鈦螺釘緊固加銀釬焊密封。由于銀釬焊為非強度焊接，只是為了無損檢測時對鈦襯環與法蘭表面的間隙進行封閉用，因此臥式釜在制造完畢進行熱氣循環試驗時，相對厚度較薄的鈦襯環會產生熱變形，而銀釬焊和鈦螺釘緊固力不足以限制其變形，導致鈦密封環翹起，導致平面度誤差增大。

1.攪拌安裝法蘭 2.銀釬焊 3.鈦襯環 4.鈦螺釘 5.鈦塞焊 6.密封面圖5 攪拌管口安裝法蘭結構圖

2.2 設備承載后二次測量

考慮到表1數據是臥式釜空載下測量的，實際盛裝物料后造成的基礎沉降會影響此數據在實際工況條件下的可靠性，因此，將臥式釜充滿水靜置兩周后，對臥式釜安裝基礎的沉降和5個攪拌口安裝法蘭的水平度進行了二次測量，得到如表2數據(測量方式同2.1.1)。

由于安裝基礎的沉降數值極小，換算成單位長度的偏差只有0.000 4 mm/m,因此該沉降數值未計入表2數據。

表2 二次測量數據表

2.3 數據分析

從兩次測量結果可以看出，該工程臥式反應釜5個隔室攪拌法蘭的密封面水平度在橫向數值上比較令人滿意，但縱向數值偏差稍大，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)。盡管這些數值仍在攪拌供貨商提供的允許數據范圍之內(該工程為3.5‰),但由于該工程攪拌軸較長，換算到軸端攪拌槳處最大偏離達到11.5 mm，業主認為該偏離在運行時疊加礦漿液流沖擊和設備、管道振動后的放大會影響機械密封壽命和正常生產，同時平面度誤差增加對法蘭連接處密封也會有影響，因此要求進行現場二次加工。

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，保證鈦襯環厚度不低于最小設計厚度(7 mm)，鈦塞焊在二次加工時不被破壞；

2.4.2 處理方法

處理方法如表3所示：

(1)根據第二次測量數據，對臥式釜基礎進行微調；

表3 安裝法蘭二次加工數據表

(2)使用專用加工工具對攪拌口法蘭密封面進行微量加工(如圖6所示)；

(3)加工后復驗。

圖6 安裝法蘭二次加工示意圖

二次加工后，該設備經歷試車、試運行、正常生產運行，迄今為止近20個月，攪拌裝置及機械密封運行良好，設備振動很小，業主非常滿意。

3 結語

(1)建議制造廠在對鈦鋼復合板設備進行熱氣循環試驗后，對攪拌管口進行水平度和平面度復驗，與業主和設計單位充分溝通，需要再次加工的應在出廠前完成，將變形誤差控制在制造過程內，避免設備運到現場二次加工。

(2)無論攪拌口密封面是襯環結構還是非襯環結構，攪拌設備是臥式釜還是立式釜，該類問題同樣會出現在各種帶有端面機械密封的攪拌釜上，設計不同類型、不同規格設備時設計者應有針對性的對該類容易被忽視的問題加以重視并提出相應要求。

(3)攪拌口安裝法蘭水平度不應只以攪拌供貨商限定數據為準，應綜合考慮其數據對設備整體運行、維護的經濟性和可靠性，不但要從設計角度考慮問題，還應站在釜體制造商和業主的角度思考問題，全方位把控設計質量。