趙宏偉

(山西陽煤化工機械(集團)有限公司，山西 太原 030032)

直接接觸水冷器是氧化鋁蒸發(fā)系統(tǒng)中的關鍵輔機設備，對保證蒸發(fā)系統(tǒng)安全運行的經(jīng)濟性具有十分重要的作用。蒸發(fā)系統(tǒng)的真空是借助于直接接觸水冷器來達到的。即將蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸汽送入直接接觸水冷器進行冷凝[1]。目前國內(nèi)氧化鋁進行冷凝時采用的是工業(yè)用水。合理并節(jié)約利用水資源一直是人類追求的目標，據(jù)統(tǒng)計，地球上海洋水約占97.5%，淡水僅占2.5%，在淡水資源中工業(yè)用水又占去20%，若能用海洋水代替淡水來進行工業(yè)生產(chǎn)，那么將會節(jié)約出更多的淡水來作生活用水，這將是全人類的福音，而且對于海洋水資源相當豐富的沿海城市來說，若能將海洋水利用到工業(yè)生產(chǎn)中，這能夠大幅度降低生產(chǎn)成本，而且也順應了當代低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保的時代追求。在氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)中如何設計一套能夠利用海洋水進行蒸汽冷凝的水冷設備是目前需要解決的一個問題[2]。

1 設備主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)

設備主要包括上封頭、筒體、錐形封頭、裙座、軸式吊耳、加強圈等。設備殼體上設置有不凝性氣體出口、冷卻水進口、蒸汽進口、冷卻水出口、備用口、人孔等管口。設備內(nèi)部設置有旋流溢流裝置、一次分散器、二次分散器、防渦流裝置等。

設備公稱直徑為DN4200 mm，主要尺寸及結(jié)構(gòu)見圖1。設備的設計參數(shù)見表1，管口表見表2。

表1 設備設計參數(shù)

表2 設備管口表

圖1 鈦制立式直接接觸水冷器(mm)

2 設備整體結(jié)構(gòu)型式選擇

由于設備的介質(zhì)為海水，且鈦材及其合金與不銹鋼相比，容易鈍化，可形成抗氯離子腐蝕較強的氧化膜，故鈦材及其合金對海水具有良好的耐腐蝕性能。本設備公稱直徑為DN4 200 mm，采用全鈦材即不經(jīng)濟也不合理。本設備的工作壓力為-0.088 MPa，由于是負壓，故采用襯鈦結(jié)構(gòu)也不合適。因此，從整體的經(jīng)濟性和安全性綜合來考慮，采用鈦-鋼復合板較為合理。

3 設備筒體縱、環(huán)焊縫接頭結(jié)構(gòu)和T字焊縫接頭的結(jié)構(gòu)設計

設備筒體縱、環(huán)焊縫接頭結(jié)構(gòu)和T字焊縫接頭結(jié)構(gòu)在JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》標準中已經(jīng)給出詳細結(jié)構(gòu)，應按照JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》標準的規(guī)定進行設計。

4 零部件的結(jié)構(gòu)設計

由于本設備工作壓力為-0.088 MPa，工作溫度為48 ℃，應按JB/T4745-2002標準的推薦采用如下結(jié)構(gòu)形式。

4.1 接管與法蘭的結(jié)構(gòu)設計

本設備的最小管口N5為DN80 mm，由于N3管口和N4管口采用焊接連接，故除N3管口和N4管口外其余管口都可采用鈦制翻邊活套法蘭，如圖2所示。先將碳鋼接管與碳鋼法蘭盤進行焊接，然后將鈦制翻邊活套法蘭放入碳鋼接管內(nèi)，采用鈦螺釘將鈦制翻邊活套法蘭與碳鋼法蘭盤進行固定，采用銀釬焊將鈦制翻邊活套法蘭與碳鋼法蘭盤進行密封焊接，采用TIG焊將鈦螺釘上表面焊接齊平。在碳鋼接管上開設Φ6 mm檢漏孔，在Φ6 mm檢漏孔上焊接檢漏嘴。當鈦制翻邊活套法蘭與碳鋼法蘭盤以及鈦接管與殼體焊接完成后，通過Φ6 mm檢漏孔對其焊縫進行檢漏，以保證焊縫處的密封性。檢漏完成后，將螺塞擰入檢漏嘴上，將其密封。

圖2 接管與法蘭的連接結(jié)構(gòu)

4.2 接管與殼體的結(jié)構(gòu)設計

1) N4管口與殼體采用對接焊接連接，其結(jié)構(gòu)可按A、B類焊接接頭的結(jié)構(gòu)進行設計。

2) N3管口為內(nèi)伸接管，因其直徑較大，為保證接管的防腐蝕性能，N3管口采用雙面鈦復合板。雙面鈦復合板與殼體的連接如圖3所示，將N3接管與殼體連接處的接管外復層鈦側(cè)開80 mm的槽，將殼體處開40 mm的槽，將殼體碳鋼基層與接管碳鋼基層進行焊接。焊接完畢后在殼體側(cè)開槽處放置一個寬38 mm，厚度為6 mm的鈦墊板，在接管外側(cè)開槽處也放置一個寬38 mm，厚度為6 mm的鈦墊板。在殼體側(cè)的鈦墊板上套入一個寬70 mm，厚度為6 mm的鈦蓋板，在接管側(cè)的鈦墊板上也套入一個寬70 mm，厚度為6 mm的鈦蓋板。將鈦蓋板與鈦蓋板以及鈦蓋板與復層鈦進行焊接。在殼體基層側(cè)開設Φ6 mm檢漏孔，使檢漏孔正對鈦蓋板的間隙，在Φ6 mm檢漏孔上焊接檢漏嘴。在焊接完成后，通過Φ6 mm檢漏孔對其焊縫進行檢漏，以保證焊縫處的密封性。檢漏完成后，將螺塞擰入檢漏嘴上，將其密封。

圖3 N3管口與雙面鈦復合板的連接結(jié)構(gòu)(mm)

3) 其余管口與殼體的連接如第153頁圖4所示，在接管處的鈦復層側(cè)開40 mm的槽，將碳鋼接管與復合板碳鋼基層焊接，然后在開槽處放置一個寬38 mm，厚度為6 mm的鈦墊板，在鈦墊板上套入一個寬70 mm，厚度為6 mm的鈦蓋板，將鈦蓋板與復層鈦以及鈦蓋板與鈦接管進行焊接。在碳鋼基層側(cè)開設Φ6 mm檢漏孔，使檢漏孔正對鈦蓋板的間隙，在Φ6 mm檢漏孔上焊接檢漏嘴。在焊接完成后，通過Φ6 mm檢漏孔對其焊縫進行檢漏，以保證焊縫處的密封性。檢漏完成后，將螺塞擰入檢漏嘴上，將其密封。

4.3 人孔蓋及盲板的結(jié)構(gòu)設計

在碳鋼人孔蓋或碳鋼盲板上襯以厚度為6 mm的鈦板。在鈦板中心和靠近邊緣的圓周上用M6 mm鈦螺釘把鈦襯板固定在碳鋼人孔蓋或碳鋼盲板上，其周圍用銀釬焊密封焊接，采用TIG焊將鈦螺釘上表面焊接齊平。其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 人孔蓋及盲板的結(jié)構(gòu)

4.4 內(nèi)件的結(jié)構(gòu)設計

1) 由于本設備內(nèi)件較多，且內(nèi)件直接接觸海水，因此內(nèi)件采用全鈦材較為合理。全鈦材的結(jié)構(gòu)設計基本與不銹鋼類似。

2) N3管口內(nèi)伸部分的結(jié)構(gòu)設計。N3管口的堵板采用全鈦板，N3管口開口處采用全鈦條進行封堵，N3管口內(nèi)伸部分的加固件采用全鈦材。全鈦堵板與雙面鈦復合板的連接詳見圖6。將雙面鈦層與全鈦堵板進行焊接。N3管口開口處與全鈦條的連接詳見圖7。將雙面鈦層與全鈦條進行焊接。由于全鈦堵板和雙面鈦復合板之間有間隙，該間隙和雙面鈦復合板與全鈦條的間隙相連通，故在全鈦堵板外側(cè)開設Φ6 mm檢漏孔，使檢漏孔正對間隙，在Φ6 mm檢漏孔上焊接檢漏嘴。在焊接完成后，通過Φ6 mm檢漏孔對其焊縫進行檢漏，以保證焊縫處的密封性。檢漏完成后，將螺塞擰入檢漏嘴上，將其密封。

圖6 全鈦堵板與N3管口的連接結(jié)構(gòu)(mm)

圖7 全鈦條與N3管口缺口處的連接結(jié)構(gòu)

4.5 其余零部件的設計

本設備采用鈦—鋼復合板，因此裙座、軸式吊耳等可按常規(guī)碳鋼設備的結(jié)構(gòu)進行設計。

5 結(jié)語

由于鈦材及其合金對海水具有良好的耐腐蝕性能，且鈦材本身焊接的特性，故在設計時應給予足夠的重視，不能按照常規(guī)的設備進行設計，應按JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》標準推薦的結(jié)構(gòu)進行設計。通過對該設備的設計，不僅滿足了工程設計的需要，而且也為同類型的設備設計提供了一種參考方案。