王道文 史曉冬

(山東省特種設備檢驗研究院聊城分院,山東聊城,252800)

橫管連蒸制漿系統(tǒng)中蒸煮管壁減薄的原因分析

王道文 史曉冬

(山東省特種設備檢驗研究院聊城分院,山東聊城,252800)

介紹了某紙廠 150 t/d以棉稈為原料的連蒸系統(tǒng)中蒸煮管的現場檢驗情況,分析了棉稈連蒸系統(tǒng)中蒸煮管全面減薄的原因,并提出了相應的對策。

蒸煮管;減薄;磨損;腐蝕

某紙廠 150 t/d連蒸系統(tǒng)以棉稈為原料,采用堿法連續(xù)蒸煮半化學漿抄造高強瓦楞原紙,2005年 9月投用[1]。連蒸系統(tǒng)中 3根Φ1520 mm的蒸煮管屬于第Ⅰ類壓力容器,根據 TSG R7001—2004壓力容器定期檢驗規(guī)則的規(guī)定,于 2008年 11月對蒸煮管進行了投用后的首次全面檢驗,以確定其能否在工藝條件下繼續(xù)安全使用。蒸煮管主要技術參數見表 1。

1 檢驗內容及現場檢驗情況

針對蒸煮管的實際運轉情況,審查相關技術資料;對蒸煮管進行外部宏觀檢查,查明其結構、幾何尺寸、表面質量和安全附件的狀況;壁厚測定、表面滲透檢測、硬度檢測等,檢查端蓋與筒體的密封性能。

壁厚測定和硬度檢查結果見表 2(按設備排列位置從上到下編號 1#、2#、3#),由于現場設備原因,兩端筒體未進行檢測。

由于蒸煮管的進出料接管口徑較大,兩端筒體和接管采用了增加厚度的整體補強方式,中間筒體設計壁厚 16 mm,兩端筒體壁厚 25 mm,連蒸系統(tǒng)投用 3年,蒸煮管出現全面減薄,壁厚減薄量分別達到12.3 mm、11.0 mm、9.0 mm。

表1 蒸煮管主要技術參數

表2 蒸煮管實測壁厚和硬度

按棉稈蒸煮工藝參數對蒸煮管進行強度校核[2]：

式中,δ—筒體計算厚度,mm;

P—蒸煮管工作壓力,MPa;

D—蒸煮管內徑,mm;

[σ]t—蒸煮管材料在工作溫度下的許用應力,MPa;

Φ—焊接接頭系數,取 0.85。根據QB/T 2067—1994橫式連續(xù)蒸煮管進出料大接管開孔補強設計規(guī)定中對碳素鋼板的損耗裕量取值不小于 5 mm,可見蒸煮管的剩余壁厚遠不滿足生產工藝條件下的強度要求,經安全評定 5級報廢。本文擬對蒸煮管全面減薄的產生原因進行分析,以期能對同類連蒸系統(tǒng)的安全使用有所幫助。

2 蒸煮管減薄原因分析

2.1 棉稈原料特性

棉稈由主莖、枝莖、根莖三部分組成,大致比例為 55∶22∶23,主莖可分為皮部 (約占 27%)、木質部(約占 70%)、髓部 (約占 3%)。皮部的最外表面呈破裂不完整狀態(tài),含色素,顏色深,主要由不透水性和抗酸性的木栓細胞和角膜組成。皮部的韌皮部約占80%,其纖維屬韌皮纖維,與針葉木纖維相似。而木質部就其植物形態(tài)結構而言接近于闊葉木,是棉稈的主體。髓部主要由雜細胞組成。全棉稈的化學成分除具有草類原料共同特點外,還含有較多的果膠。棉皮纖維細長、壁較厚,與針葉木纖維相似;棉稈纖維中雜細胞含量較少,與闊葉木材相似。

棉稈原料的上述特有結構造成其材質堅硬的特點,同時棉稈組織中含有的木栓質細胞不透氣、不透水,若只切斷、不壓潰,則只能極有限地毀壞木栓化了的周皮層,使蒸煮藥液難以滲透,尤其是木栓化程度很大的根部更難煮透,夾生料更多,使得備料中的破碎、壓潰成為制漿過程中的一個關鍵性因素[3-4]。

2.2 蒸煮工藝對材料的腐蝕影響

常溫下,碳素鋼在 NaOH環(huán)境中相當穩(wěn)定,因為在金屬表面產生了難溶的氫氧化物或氧化物而起保護作用;然而溫度的升高對碳素鋼在堿液中的腐蝕有顯著的促進作用。在熱濃堿溶液中,金屬表面的保護膜會被破壞,腐蝕速率也會變得較高。如果堿液中存在氧、CO2、氯化物等,也會加速碳素鋼的腐蝕。

松散物料在螺旋喂料器中被喂料螺旋和蒸汽壓力逐步壓縮形成料塞,在料塞管末端形成密實的塞體,隨螺旋軸推進料塞不斷形成并掉入蒸煮管。在 0.7 MPa蒸汽壓和 170℃氣相蒸煮環(huán)境中,料塞被螺旋推進器上的螺旋葉片推動通過蒸煮管作恒速運動,藥液、蒸汽連續(xù)不斷地與原料密切混合、反應。反應伊始,堅硬的物料在推進螺旋葉片的攪動下,與管壁連續(xù)摩擦,破壞了碳素鋼表面的鈍化保護膜,使得蒸煮管內表面始終保持在活化狀態(tài),活化表面比鈍化表面的腐蝕速度大得多,同時高溫的堿性環(huán)境也加快了管壁的磨損速度。隨著蒸煮過程的進行,堅硬的物料在高溫、高壓蒸汽環(huán)境中吸收大量的堿液,纖維細胞迅速潤脹軟化發(fā)生脫木素反應,軟化的物料減輕了對蒸煮管內壁保護膜的破壞程度,使得蒸煮管的磨蝕量呈依次減小的規(guī)律,對 1#～3#蒸煮管超聲測厚的數據結果就是很好的證明。

3 解決措施

通過對蒸煮管壁厚減薄原因的分析,筆者認為可從以下方面進行改進。

(1)改進備料工藝

備料工序加入擠壓疏解-浸漬預處理,擠壓疏解后棉稈縱向分絲帚化、物料結構疏松,不僅軟化了物料纖維,同時又增加纖維的比表面積,可加速藥液滲透速度,從而減輕對設備的磨損,延長其使用壽命[5]。

(2)改進蒸煮工藝

對于棉稈、木材及竹片等原料,因其結構緊密,不容易被藥液浸透,采用 1根傾斜的蒸煮管與數根橫管相結合的方式比較合理,可加強藥液對原料的浸透,提高蒸煮效率、避免生漿的產生及提高漿的物理強度等。傾斜管的底部充滿蒸煮藥液,其作用是使蒸煮的物料在管底部得到充分的浸漬和纖維潤脹,充分吸收蒸煮液,在其后的氣相蒸煮中可以快速反應脫除木素,同時軟化的物料也可減輕其對設備的磨損,但是由于斜管有縱、橫兩個方向的熱應變,與橫管相結合,對熱脹冷縮的熱應力很難消除,并且采用斜管使得制漿車間建筑高度大大增加,因此改進蒸煮工藝不是解決蒸煮管腐蝕的最佳方案。

(3)投料要適宜

投料量適宜,原料與蒸汽、藥液混合均勻是保證成漿質量、減少生片的必要條件。在工藝設計和實際生產中,蒸煮管有個充滿系數,投料多,則漿料中生片就多;反之投料少,料塞無法形成造成反噴,可能會導致安全事故的發(fā)生。

使用硬型物料時應采用盡可能長的料塞管,較少的進料量,嚴格干濕備料工藝,進料速度要慢,蒸汽壓力在 0.6～0.7 MPa,溫度不低于 160～170℃。

(4)正確選擇蒸煮管材料

蒸煮管屬于Ⅰ類壓力容器,選材既要滿足力學性能,又要考慮耐腐蝕性能。研究表明,Cr、Ni、Mo等合金元素可改善 Fe的耐蝕性。在堿性環(huán)境中 Cr-Ni奧氏體不銹鋼比碳鋼有著更加良好的耐腐蝕性能,其耐堿蝕性能隨鋼中 Ni含量升高而增加,因此對于以棉稈為原料制半化學漿的生產線而言,綜合考慮設備的經濟性和適用性,可選用 18-8系奧氏體不銹鋼或復合鋼板建造;復合鋼板的基層可以保證蒸煮管的力學性能,不銹鋼復合層又可滿足耐腐蝕的要求。

而該紙廠另一條相同結構的 150 t/d連蒸生產線采用 0.55 MPa和 160℃的蒸煮工藝、以麥草為原料堿法制漿,系統(tǒng)于 1998年 5月投用,2009年 8月全面檢驗時,3根蒸煮管的厚度減薄均在 0.2～0.6 mm之間,證明只要針對不同原料的自身特性設計合理的蒸煮工藝流程,碳素鋼在正常蒸煮工藝條件下也可滿足非木材纖維堿法制漿的安全生產要求。

4 結 語

由上述報廢蒸煮管的全面減薄原因分析可知,為延長蒸煮管的使用壽命、保障其安全運行,應做到以下幾點：

(1)對于采用新型造紙用材進行制漿時,設計的工藝方案必須考慮到蒸煮器選材的重要性,必要時可進行腐蝕實驗,以確定蒸煮工藝對設備腐蝕的影響因素,從而在保證制漿質量的前提下盡可能延長設備的使用壽命。

(2)嚴格棉稈備料和蒸煮工藝,投料須適量;蒸煮管應在規(guī)定的工藝參數下運行,嚴禁超溫、超壓運行;蒸煮管進汽壓力管道上應配齊減壓閥、安全閥和壓力表,型號、規(guī)格應與蒸煮管的運行參數相適應,并定期進行校驗,以保證完好性和靈敏度。

(3)造紙廠應建立健全壓力容器安全使用管理制度和操作規(guī)程;蒸煮器操作人員應經培訓機構培訓考核合格后持證上崗,做好蒸煮管的運行記錄,發(fā)現異常情況及時處理和匯報[6]。

(4)落實、執(zhí)行好在用蒸煮管的年度檢查和定期檢驗制度,一旦發(fā)現問題應及時處理。

[1] 王洪艷,陳書海.連蒸在棉稈漿生產中的應用及設計要點[J].中華紙業(yè),2006(8)：64.

[2] GB150—1998鋼別壓力容器[S].

[3] 李文龍,李錄云.棉稈半化學漿工藝方案設計的總結[J].中國造紙,2006,25(10)：35.

[4] 袁世炬,劉 智.棉稈造紙生產利用[J].湖北工學院學報,1996(1)：62.

[5] 陳書公,楊治國.全棉稈 AMP制漿生產實踐[J].中國造紙,2006,25,(8)：68.

[6] 李永峰,桑彥杰.130 t/d麥草漿橫管連蒸系統(tǒng)生產經驗[J].中國造紙,2005,24(8)：64.

(責任編輯：常 青)

Analysis of the Thinning of the Wall of the Cooking Tube i n a Continuous Digestor

WANGDao-wen＊SHI Xiao-dong
(Shandong Special Equipment Inspection Liaocheng Branch,Liaocheng,Shandong Province,252800)
(＊E-mail：ice_mosquito@163.com)

The reason of overall thinning of the cooking tube in a horizontal continuous digest or using for cotton stalk pulping with 150 t/d capacity was analyzed,the corresponding solutions were discussed.

cooking tube;thinning;wear;corrosion

TS733+.2

B

0254-508X(2011)02-0038-03

王道文先生,檢驗師;主要從事壓力容器、壓力管道的檢驗研究工作。

2010-09-19