預(yù)水解硫酸鹽法制漿用蒸煮鍋設(shè)計小結(jié)

李 清，陳吉圣

［1.大連市化工設(shè)計院有限公司，遼寧大連 116023；2.林德工程（大連）有限公司，遼寧大連 116100］

0 引 言

在化工、化纖、醫(yī)藥、造紙等行業(yè)中，蒸煮鍋的使用已極為普遍，而且其型式也是紛繁復(fù)雜、多種多樣的，盡管如此，這些蒸煮鍋設(shè)備又有許多共性之處，比如：需要經(jīng)常地開車、停車，需要頻繁的升壓、降壓等。前一個時期，大連市化工設(shè)計院有限公司為南方某化纖企業(yè)設(shè)計了一臺110m3蒸煮鍋（如圖1所示），該設(shè)備所要求的操作工況較為復(fù)雜，可謂是蒸煮鍋系列設(shè)備中的一個典型例子。現(xiàn)從這臺110m3蒸煮鍋的生產(chǎn)操作過程，設(shè)計過程中需要著重考慮的問題及解決辦法等方面作一闡述，期望對壓力容器設(shè)計人員在有關(guān)蒸煮鍋的設(shè)計過程中遇到類似問題時，能有所借鑒和幫助。

1 預(yù)水解硫酸鹽法制漿用110m3蒸煮鍋的生產(chǎn)過程

（1）原料 竹片、木片、蘆葦片等

（2）加水量 一般是所裝原料量（絕干狀態(tài)）的4倍左右

（3）酸性蒸煮升溫情況見表1，pH值＝3～4

（4）堿性蒸煮升溫情況 見表2，pH值＝12～14

（5）最高工作壓力 1.0MPa，最高工作溫度 184℃

（6）總周期 自裝料至噴放漿結(jié)束，＜16h

（7）使用壽命 15a

圖1 蒸煮鍋結(jié)構(gòu)示意

表2 堿性蒸煮升溫情況

2 設(shè)計過程中需要著重考慮的問題及解決辦法

（1）選材

一方面，從介質(zhì)方面來考慮，本設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)，除了竹片、木片等物料之外，漿液中還含有一定量的強酸或強堿，這就要求在設(shè)計過程中要考慮材料的耐腐蝕性的問題；另一方面，從經(jīng)濟性方面考慮，如果整個殼體材料均選擇奧氏體不銹鋼，則該設(shè)備的整體造價就會高很多，從而加重了企業(yè)的負擔(dān)。經(jīng)過綜合考量，同時也考慮到在用材料的成熟的使用經(jīng)驗，本蒸煮鍋的主體材質(zhì)選用復(fù)合材料S31603＋Q345R，基材為Q345R，復(fù)層材料為S31603；其他與設(shè)備內(nèi)介質(zhì)接觸的部位，如各種接管、法蘭等材料，均選用022Cr17Ni11Mo2；支腿等選用碳素鋼。

（2）疲勞分析

①本設(shè)備的設(shè)計壓力P＝1.1MPa，設(shè)計溫度T＝200℃。據(jù)表1、表2的操作工況，加卸載循環(huán)壓力范圍為0～0.7MPa，包括啟動、停車在內(nèi)的預(yù)計循環(huán)次數(shù)為43 800次（按15a壽命）。由于本設(shè)備在運行中需要頻繁的開車、停車，并且還要經(jīng)受較大的溫度和壓力波動，殼體材料在這種交變載荷的作用下，可能沒有明顯的塑性形變就會發(fā)生脆性斷裂。據(jù)JB4732－95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中第3.10.2條進行判定，由于本設(shè)備所承受的壓力波動范圍超過設(shè)計壓力20%的工作壓力預(yù)計循環(huán)次數(shù)與包括啟動與停車在內(nèi)的全范圍壓力循環(huán)的預(yù)計循環(huán)次數(shù)總和超過1 000次，不滿足可免做疲勞分析的條件，因此要對本設(shè)備進行疲勞分析。

②應(yīng)用ANSYS應(yīng)力分析軟件進行有限元應(yīng)力分析，按JB4732－95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定進行疲勞分析校核。考慮到本設(shè)備載荷分布及結(jié)構(gòu)的對稱性，對設(shè)備中出現(xiàn)最高壓力的部位進行有限元分析。通過建模，即建立二維軸對稱結(jié)構(gòu)靜力分析模型，對模型進行網(wǎng)格劃分，找出應(yīng)力強度最大值發(fā)生的幾個部位（點），再對這些點的應(yīng)力強度值進行計算分析，得知整個設(shè)備的應(yīng)力強度最大值發(fā)生在進料口的接管與錐筒連接部位的外表面上；對該點進行疲勞分析，得出累積使用系數(shù)（0.002 19）＜1.0，所以本蒸煮鍋疲勞校核是合格的。

3 設(shè)備支腿型式的選擇

本設(shè)備的支腿選用了支撐式支腿型式，由上部支腿、下部支座兩部分組成。考慮設(shè)備在開車、停車或者升、降壓的過程中，可能會產(chǎn)生較大的振動和可能產(chǎn)生一定的位移，所以在設(shè)計支腿時，采取了滾動連接的形式，四個支腿中有一個與下部的支座采用固定連接，另外三個支腿與下部支座，通過支腿與支座之間的二個相連的并且是可移動的滾子連接起來，從而改善了下部支座的受力狀態(tài)。

4 進料口的型式

蒸煮鍋的進料口考慮到加料方便，一般都是設(shè)置在蒸煮鍋的上部。同時考慮到人工操作簡單、省力、快捷等因素，本設(shè)備在進料口的設(shè)計中，采用了漲環(huán)式快開盲板的結(jié)構(gòu)形式，不但具有密封安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、快捷等優(yōu)點，而且經(jīng)濟實用，可以廣泛地適用于石油、化工、化纖、造紙等行業(yè)的大口徑、高壓設(shè)備的工況。

5 結(jié) 語

針對蒸煮鍋設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和復(fù)雜的操作工況，要求設(shè)計人員在設(shè)計此類設(shè)備時，除了要進行一些必要的常規(guī)設(shè)計之外，還要著重考慮合理的選材，選擇合理的支撐方式和進料口的開啟方式，尤其是應(yīng)對設(shè)備進行必要的疲勞分析等。