钛制高压反应釜的结构设计及使用

钛制高压反应釜的结构设计及使用

刘波

柘科（中国）工程设备有限公司  上海   200241

摘要：本文通过介绍钛制高压反应釜的使用工况、结构特点，提出了设备在结构设计和制造装配过程中需要注意的问题。同时通过介绍了高压反应釜的使用过程，深入分析了高压反应釜在现场运行腐蚀的原因，并提出了解决问题的方法。

关键词：高压反应釜；钛复合板；结构设计

高压酸浸工艺是目前湿法冶金中较为成熟可靠的工艺，但此类工艺在项目应用上还存在较多难点，如工艺流程的选择、矿浆物料的配比、系统的工艺计算、设备的选型和材料的选用。高压酸浸系统包括预热系统、高压反应系统和闪蒸系统。高压反应釜作为整个酸浸工艺的核心设备，设计的主要难点在于高压反应釜在运行中需要承受固体矿浆带来的磨损和高温酸性环境腐蚀。苛刻的反应条件对材料的使用性能提出严峻的考验，从众多的挂片实验中总结得出，钛（TA2）对强酸、高温、高压环境下抗腐蚀性效果良好。我公司承接了一台立式高压反应釜设备的设计和制造，这也是我公司首次设计和制造该类压力容器。

1设备概述

高压反应釜设计标准为GB/T150-2011《压力容器》[1]、TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[2]和JB/T4745-2002《钛制焊接容器》[3]，该设备属于Ⅲ类压力容器（介质含氢气），设备主要元件选材见表1。

表1

2.结构设计

结构上，高压反应釜分为三个单独腔体，即外夹套、本体和内衬管，设备简图见图1。

设备外夹套和内衬管的设计参数与本体相同。上封头接管较多，结构复杂，主要有搅拌口、安全阀口、氧气进口、液位计口、加料口、温度计口、排气口、压力变送器口、回流口、爆破片口、人孔等。每个接管内衬钛垫板和密封焊接钛盖板，外部开设检漏孔，法兰盖采用碳钢基材，内附钛板，螺钉连接。上封头上中心开设搅拌口，搅拌口的密封面尺寸及密封形式要求较高。筒体外设夹套螺旋半管，半管两端设置冷却水进出口，夹套半管循环的是饱和蒸汽，设计压力与本体相同，制造时与筒体焊缝需增加超声检测。下封头及筒体下部增加耐腐蚀钛板，增加设备寿命。下封头上开设放料口和出料口。内盘管外端设置蒸汽进出口，内伸端部设置单独法兰，方便内盘管的拆卸，螺旋盘管应设置合理间距，保证换热面积及进出口位置。

为方便制造和设计合理经济，结构设计和制造过程重点及优化点包括以下方面：

1.高压反应釜的大部分接管设置在上封头，并垂直布置，设计时接管长度适当增加余量，斜面应放样准确，减少车间打磨的工作量。需要塞焊螺钉的法兰盖上的螺纹孔不宜过深，防止开孔误差打穿法兰盖。螺钉面塞焊应有足够深度且只需圆滑过渡，不用磨平。

2.钛密封板与钛衬管焊接前应控制垂直度，防止焊好后机加工密封面厚度相差太大，且焊接时应进行双面角焊缝，锻件管口应倒角。有介质流动区域的衬钛管厚度应取与壳体复合层等厚。

3.钛密封板与接管之间的密封焊，本项目实际采用硅胶密封，运行结果目前良好。采用硅胶密封时法兰螺栓孔与钛密封板之间应预留足够的台阶距离。筒体纵环缝需要采用银钎焊进行分腔，防止进行氦检漏不合格时找不到泄漏点。

4.内盘管的支撑垫板注意与封头拼缝错开，为方便内盘管的安装及装配，可先在设备内部焊接支撑垫板及一段支撑板，内盘管的支撑板在筒体外部安装好后再进入设备，调整好进出口位置后再焊接两块支撑板固定。内盘管与壳体的固定点应最少为三处。

5.设备的检漏孔的具体位置可由工艺按设备实际尺寸（如夹套实际位置）定，设计在图纸上表示检漏孔的结构及数量即可。

6.搅拌器机封与法兰盖应采用水平密封面密封，同时搅拌器设计应考虑结垢的可能性及冲洗系统的设计。

7.关于衬钛设备的制造，须有专用洁净车间进行加工和装配。

4.高压反应釜的使用

我司高压反应釜在制造完成后运往现场，现场与搅拌器组装完成后，业主使用其中一台进行了热运行生产，包括试运行生产前泄漏检查、带水热试等。检查均合格后通入物料，运行一釜结束后，开釜检查，发现内壁管夹和螺钉腐蚀严重，大部分紧固件脱落，筒体内壁腐蚀严重，筒体上部钛复合层由6mm变为5.5mm左右，筒体下部钛复合层由6mm变为4.8mm左右，底部内衬封头最薄处为4mm左右。腐蚀大大超出预期，需要停止进行返修。返修过程为：打磨内壁-测量各部位厚度-对部分位置补焊-无损检测合格-重新安装紧固件-验收合格-密封人孔-重新热试运行。经过从物料组成、运行过程、挂片试验等方面，我方总结造成该重大腐蚀的原因如下：

1. 运行过程，运行过程中业主未按技术协议要求通入氧气，釜内提炼钴的反应本身能够产生氧气，但是量较少，第一釜运行时，设备内部钛的表面积很大，反应产生的氧气不足以补充钛氧化所需的氧气，造成钛直接被酸腐蚀。
2. 挂片试验，为了更好地分析腐蚀原因，我司在另一台高压釜内放置了两块钛板，该钛板未经过阳极化处理，且业主在该釜运行时不断通入氧气，最终试运行三釜结束，开釜检查发现，该挂片保持良好，未发现明显的腐蚀痕迹。

高压反应釜因为是钛制压力容器，钛金属能和硫酸反应产成大量氢气，钛之所以能抗腐蚀，需要先在表面形成致密氧化膜。阳极化处理能够在钛表面形成致密氧化膜，阻止介质对钛材的腐蚀。设备内部若持续通入氧气，也能使活跃的钛金属迅速形成氧化膜，以阻止进一步的腐蚀。

5 总结

    本文介绍了我司在高压反应釜结构设计中的重难点，提出三腔室压力容器的设计结构形式、接管和内盘管的典型示意图、法兰盖钛螺钉塞焊要求，筒体纵环缝银钎焊要求，内盘管装配要求等。同时详细介绍了高压反应釜的使用过程，发生重大腐蚀的原因及返修处理后运行合格的过程，而且分析了造成本次腐蚀的原因及提出解决问题的方法，为以后类似钛制压力容器的结构设计、制造安装及运行使用提供了参考。

6.参考文献

[1] GB/T 150-2011，压力容器[S].

[2]TSG 21-2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

[3] JB/T4745-2002，钛制焊接容器[S].