張茹雅 張亞寧 潘國輝 劉 娟

（大連冰山集團(tuán)金州重型機(jī)器有限公司)

設(shè)計(jì)計(jì)算

BDO反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制造

張茹雅*張亞寧 潘國輝 劉 娟

（大連冰山集團(tuán)金州重型機(jī)器有限公司)

介紹了BDO反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)、選材所應(yīng)考慮的問題，并且對密封結(jié)構(gòu)和多層筒體的制造工藝進(jìn)行了闡述。

反應(yīng)器 高壓 丁二醇 大型鍛件 密封 多層筒體 壓力容器

0 前言

BDO反應(yīng)器是BDO流程中的核心設(shè)備。BDO是1，4-丁二醇的簡稱，是用來生產(chǎn)聚對苯二甲酸丁二醇酯 （簡稱PBT）工程塑料和纖維、聚氨酯彈性體、聚氨酯人造革、γ-丁內(nèi)酯等的重要原料。我公司為某化工廠制造的BDO反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)特殊，制造難度較大。這是BDO設(shè)備的首次國產(chǎn)化，具有一定的試驗(yàn)研究性質(zhì)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

BDO反應(yīng)器主要技術(shù)特性如表1所示。BDO反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

BDO反應(yīng)器上、下封頭都用大型鍛件制造。上封頭外徑為2194 mm，高度為1355 mm，不采用常用的規(guī)則凸形封頭。這是因?yàn)樵谏戏忸^的端面上要布置大小7個管口，包括人孔在內(nèi)。

設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)較為特殊。其中底蓋與下封頭之間、頂蓋與上封頭之間均采用GRAYLOC密封元件密封，所有的接管法蘭也均采用GRAYLOC卡蘭。美國的GRAYLOC卡蘭具有50多年的歷史，這是一種高壓自緊式法蘭，也是一種用于高壓、高溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣工況下管道連接的新型高壓法蘭。傳統(tǒng)法蘭是靠密封墊的塑性變形達(dá)到密封作用的，屬于軟密封。而高壓自緊式法蘭的核心是其獨(dú)有的新式密封，即依靠密封環(huán)的密封唇 （T形臂）的彈性變形形成密封，屬于硬密封。它利用卡蘭、卡套、密封環(huán)的筋骨組合，形成了一個強(qiáng)大的剛性體，使連接部位的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道母材自身強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。在受壓時(shí)，密封環(huán)的筋和密封唇分別起強(qiáng)度和密封的作用，既能自緊密封，又能加固管道，極大地增強(qiáng)了連接部位的整體強(qiáng)度。

表1 BDO反應(yīng)器技術(shù)參數(shù)

圖1 BDO反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

圖2 高壓自緊式法蘭

GRAYLOC密封環(huán)使用場合廣泛靈活，不但可以成套使用，而且可以根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)大小單獨(dú)加工制作。 但是， 設(shè)備密封面的形式及尺寸應(yīng)由GRAYLOC提供。該設(shè)備底蓋與下封頭之間、頂蓋與上封頭之間均采用GRAYLOC密封環(huán)密封，密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。該設(shè)備所用的GRAYLOC元件，也均是向美國GRAYLOC公司訂購的。

圖3 密封環(huán)

圖4 GRAYLOC密封環(huán)

設(shè)備筒體采用多層式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)筒和多層層板包扎而成，每層層板上都開排氣孔。采用多層式筒體，設(shè)備不需要作焊后整體熱處理。

2 選材

2.1 筒體選材

該設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力很高，為 34.8 MPa，GB 150—1998《鋼制壓力容器》的適用范圍是設(shè)計(jì)壓力不大于35 MPa，因此該設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力接近了我國常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的極限。國外BDO項(xiàng)目中的BDO反應(yīng)器常以ASMEⅧ-2為設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)，筒體采用單層加堆焊結(jié)構(gòu)。這次我公司設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)采用GB 150—1998，筒體采用包扎式多層結(jié)構(gòu)。多層式筒體的內(nèi)筒選用爆炸復(fù)合板，基層為Q345R，復(fù)層為304L，既保證了強(qiáng)度，同時(shí)也滿足了抗腐蝕性能的要求。多層筒體上除內(nèi)筒外的多層層板，不接觸介質(zhì)，不需要其具有抗腐蝕性能，只要求其具有較高的強(qiáng)度和良好的綜合機(jī)械性能。與單層厚壁的結(jié)構(gòu)相比較，多層層板所用板材都是薄板，薄板的制造工藝成熟，性能良好穩(wěn)定，而且成本較低。

若設(shè)備的筒體采用單層Q345R板材，按強(qiáng)度計(jì)算其厚度超過200 mm。Q345R板材厚度超過200mm時(shí)，不但超出了標(biāo)準(zhǔn)的范圍，其各項(xiàng)性能也不可能得到保證，所以不予選用。若筒體采用鍛件材料，性能雖然有保證，但其造價(jià)太高。綜合考慮，選用多層筒體結(jié)構(gòu)，既滿足了強(qiáng)度要求，又節(jié)約成本，降低造價(jià)。

2.2 封頭和底蓋、頂蓋選材

上、下封頭與底蓋、頂蓋選用20MnMo鍛件，20MnMo材料與其它材料相比，強(qiáng)度較高，性能優(yōu)越，使用成熟廣泛，故選用其作為主要鍛件的材料。

3 制造工藝

3.1 制造的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

由對BDO反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可知，該設(shè)備由底蓋組件、下封頭組件、多層筒體、上封頭組件和頂蓋組件等五大部件組成，其制造的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)有如下幾項(xiàng)：

（1）頂蓋組件、底蓋組件和上、下封頭組件上密封面的加工；

（2）多層筒體的制造；

（3）筒體環(huán)向焊接接頭的組對。

為了確保每一個零部件的制造質(zhì)量和組裝質(zhì)量，我們設(shè)計(jì)制定了相應(yīng)的工藝措施，并且專門編制了 “BDO反應(yīng)器制造工藝方案”，用于指導(dǎo)BDO反應(yīng)器的制造。

3.2 關(guān)鍵零部件的制造

（1）頂蓋、底蓋的制造

頂蓋和底蓋均采用20MnMo鍛件，與介質(zhì)接觸的密封面處采用不銹鋼堆焊。制造時(shí)，先進(jìn)行一次加工，加工出堆焊不銹鋼所需的槽，然后再堆焊不銹鋼，最后加工出密封面。GRAYLOC密封面粗糙度要求很高，Ra為1.6～0.8μm。一般加工件的粗糙度要求Ra為25～6.3μm，數(shù)字越小精度要求越高。對于如此嚴(yán)格的要求，我公司采取一些有效措施，確保了密封面達(dá)到所需精度，從而為設(shè)備密封提供了可靠的保障。

（2）上、下封頭的制造

上、下封頭的密封面加工方法與頂蓋和底蓋相同，光潔度要求也相同。上、下封頭直徑很大，因此必須采用大型鍛件。上封頭直徑為2194 mm，高度為1355mm，體積龐大，與筒體組裝過程比較困難復(fù)雜，因此加工組裝時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)格保護(hù)好密封面。一般的法蘭密封面，采用貼膠帶紙等方法保護(hù)即可。但是鑒于該設(shè)備的密封面要求如此嚴(yán)格，組裝過程困難復(fù)雜，因此特別制作了專用的工裝，用于保護(hù)密封面。結(jié)果證明，此工裝起到了非常好的效果，很好地保護(hù)了密封面。

（3）多層筒體的制造

多層筒體的制造工藝主要為多層筒體的包扎。多層筒體由內(nèi)筒和多層層板組成。內(nèi)筒先制作好，然后再在內(nèi)筒上包扎多層層板。包扎之前，內(nèi)筒表面及各層層板的內(nèi)外表面應(yīng)進(jìn)行噴砂處理，去除氧化皮、油污等雜物，使板材表面干凈平滑，便于層板包扎。

包扎時(shí)應(yīng)先找好筒節(jié)與層板的基準(zhǔn)端，先將帶有排氣孔的層板包上，再包扎不帶排氣孔的層板。緊貼內(nèi)筒的層板為第一層，依次為第二層、第三層……等等。第一層和第二層板上的排氣孔應(yīng)在包扎之前先鉆好，其余各層上的排氣孔可在筒體包扎好之后再鉆。

多層筒體的制造工序如下所述。

（a）鉚工：借助于工裝 （包扎內(nèi)撐胎）進(jìn)行層板包扎。

（b）電焊：層板縱向焊接接頭按焊接工藝規(guī)程施焊。

（c）鉚工：打磨焊縫，使之與母材平齊。

（d）檢查：層板貼合度檢查，用圓弧樣板和平尺檢查，間隙分別為0.5mm和0.3mm；層板松動面積檢查，其松動部位沿環(huán)向長度不得大于300 mm，沿軸向長度不得大于600mm。

（e）無損檢測：第一層層板縱向焊接接頭作100%超聲檢測，按JB/T 4730.3—2005Ⅰ級合格；其它各層層板縱向焊接接頭作100%磁粉檢測，按JB/T 4730.4—2005Ⅰ級合格。

（f）大立車：車筒體端面及堆焊坡口 （加工時(shí)以內(nèi)筒兩端面找正）。

（g） 電焊：筒體端面封焊，堆焊隔離層，如圖5所示，按焊接工藝規(guī)程施焊。

（h）無損檢測：封焊層作100%液體滲透檢測，按JB/T 4730.5—2005Ⅰ級合格。

圖5 筒體端面堆焊隔離層

（i）劃線：劃?8mm排氣孔線。

（j）鉆:鉆 ?8 mm排氣孔，鉆孔時(shí)不允許加冷卻液。

（k）鉚工：等待與其他部件一起組裝。

（4）總組裝

設(shè)備總組裝工序?yàn)椋和补?jié)之間組對→筒體組合件與下封頭組對→組對保溫支架、銘牌托架等外部零部件→組對內(nèi)件支撐件→上封頭與筒體組對→水壓試驗(yàn)→清理、包裝、發(fā)運(yùn)。

總組裝的難點(diǎn)是上、下封頭與筒體環(huán)向焊接接頭的熱處理。上、下封頭的材料是20MnMo，焊接后必須進(jìn)行熱處理，而多層筒體是不需要進(jìn)行熱處理的。如何解決呢？如圖5所示，先在上、下封頭的端部堆焊隔離層金屬，然后單獨(dú)對上、下封頭及其隔離層焊縫作整體焊后熱處理。之后，進(jìn)行組裝時(shí)由20MnMo與Q345R之間的焊接就變成了隔離層之間的焊接，這樣就不需要再進(jìn)行焊后熱處理了。

4 結(jié)語

該BDO反應(yīng)器已經(jīng)投入使用有5年多時(shí)間，運(yùn)行良好。實(shí)踐證明，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和質(zhì)量控制措施都是可行的。BDO反應(yīng)器殼體選用多層包扎結(jié)構(gòu)，密封形式選用GRAYLOC自緊式密封結(jié)構(gòu)，都是首次嘗試。該BDO反應(yīng)器的制造成功，為BDO項(xiàng)目設(shè)備的國產(chǎn)化開拓了新路，也為制造同類產(chǎn)品積累了經(jīng)驗(yàn)。

Design and M anufacture of BDO Reactor

Zhang Ruya Zhang Yaning Pan Guohui Liu Juan

Introduces the structure characteristics of BDO reactor,lists the problems that should be considered during design andmaterial selection,and describes themanufacturing process of seal structure and multilayer shell.

Reactor;High pressure;Butanediol;Large forging;Seal;Multilayer shell;Pressure vessel

TQ 052

2012-12-18）

*張茹雅，女，1978年生，工程師。大連市，116100。