延长闪蒸槽孔板和孔板座寿命的改进措施

摘要：文章针对中国铝业中州分公司第二氧化铝厂闪蒸槽孔板和孔板座寿命短的问题进行了原因分析，通过结构改进和使用新型材料等措施，有效地延长了两者的使用寿命，提高了溶出机组连续运行时间，节约了费用，效果显著。

关键词：闪蒸槽；孔板；孔板座；溶出机组；失效形式

中图分类号：TF821　文献标识码：A　文章编号：1009－2374(2011)25－0041－03

闪蒸槽是氧化铝生产流程中的重要设备，是高温高压溶出机组的主要组成部分，它能否正常使用关系到整个生产流程能否连续稳定运行。同时，闪蒸槽作为压力容器，又是特种设备管理的重点，事关重大，必须保证其安全运行。中国铝业中州分公司第二氧化铝厂(简称中州二氧)，在溶出机组配置了10台闪蒸槽，串联在一起用于溶出矿浆的降温降压，同时产生乏汽用于套管的预热，是建立整个系统热平衡的关键环节。

一、闪蒸槽的运行情况

闪蒸槽设置在溶出器之后，混合的溶出矿浆在溶出器内经过升温加压反应后，逐级进入10台串联的闪蒸槽内。溶出矿浆主要由245g／L的碱液、细度一0.15mm＞95％的矿浆颗粒和石灰乳构成，因铁和硅含量高，硬度达到了HRCl6－22。闪蒸槽在进料管上安装节流孔板，溶出矿浆经孔板高速进入闪蒸槽内，对冲到防冲锥上而迅速扩散，由于体积膨胀形成闪蒸效果，乏汽导出到套管预热矿浆和碱液，充分利用余热。

每级闪蒸槽容积逐渐加大，节流孔板也随之扩大，溶出矿浆流速、温度和压力逐级降低，从而使高温高压溶出矿浆降到低温常压状况，并在降温降压过程中继续完成脱硅反应。由最后的第10级闪蒸槽进入稀释槽后，溶出矿浆降至常压，可输送到下一个工序。随着闪蒸槽容积和孔板内径的变化，各级闪蒸槽的运行参数见表1：

二、孔板和孔板座存在的问题和原因分析

10级闪蒸槽中，各级槽子的基本结构相同，不同之外主要在于进料管上的孔板座结构和安装位置。1～4级闪蒸槽的孔板座为“短头型”，位于进料管末端，与进料管对焊连接在一起；而5～10级闪蒸槽的孔板座为“马鞍型”，进料管末端超出槽体中心线约500mm，孔板座中心线与槽体中心线重合，焊在进料管正下方。

从中州二氧闪蒸槽的运行经验来看，5～10级的“马鞍型”孔板座和孔板运行寿命可达到9～12个月，满足生产要求。出现问题较多的是1～4级闪蒸槽的“短头型”孔板座和孔板，运行寿命只有2个月。这里我们也主要研究解决“短头型”孔板座和孔板的问题。

闪蒸槽主要由槽体、进料管、出料管、防冲锥和液汽分离室构成，其结构如图1所示：

(一)孔板与孔板座的安装结构

1～4级闪蒸槽的槽体为两种规格，孔板和孔板座的中心线与槽体中心线、防冲锥中心线重合，所以除进料管长度不同外，其安装结构完全相同。进料管结构如图2所示：

进料管由一段Φ3 2 5×1 6无缝钢管和Φ3 2 5／Φ250×10异心变径管组焊而成，材质为20钢。孔板由法兰套和孔板芯嵌套组成，法兰套材质为16Mn，孔板芯材质为YG8。孔板座材质为45钢，内表面喷焊2mm的硬质合金。

(二)孔板和孔板座的失效形式和原因分析

中州二氧一期2004年元月份投产，二期2004年12月份投产。前期，由于碱液套管预热器等部位的泄漏问题，溶出机组连续运行时间较短，最长只有30天，机组运转率只有75％。2004年8月之后，在解决了碱液套管和其它部位的泄漏问题后，溶出机组的连续运行时间延长到了60天，运转率达到了90％。但是，随着连续运行时间和运转率的提高，闪蒸槽成了瓶颈环节，主要问题就是1～4级闪蒸槽的孔板和孔板座寿命太短，制约了整个机组连续运行时间的继续提高。

孔板和孔板座失效的形式，主要是孔板的法兰套磨损、孔板座磨损、孔板的固定螺栓磨断和密封石棉垫泄漏。孔板在闪蒸槽的作用，就是通过逐级放大的内孔直径，控制溶出矿浆在不同闪蒸槽问的流速和压力，达到降温降压的目的。由于孔板和孔板座不同部位出现磨损，最终导致穿孔，相当于孔板的内孔直径被放大，会破坏压力、温度和液位的平衡，严重情况下会使闪蒸槽瞬间超压，直接危及安全生产。分析磨损出现的部位，我们认为主要原因是溶出矿浆的磨损、孔板与孔板座安装结构不合理、材料耐磨性差等。

1.溶出矿浆的冲刷磨损和气蚀。金属表面的磨损是由于运动着的颗粒对金属表面的动能作用而造成的。当溶出矿浆中的固体颗粒冲击管路或设备表面时，它引起金属表面变形和摩擦金属表面做功；可分为与表面垂直的分力引起的冲击磨损和以水平分力为主的摩擦磨损(或称切削磨损)。

溶出矿浆含碱液(Na0H)、铝土矿颗粒和石灰乳，其中矿石中铁含量高达15％～20％，硅含量也较高，并含有一定的S-1离子，另外石灰乳中夹杂了较多的石渣颗粒。因此，溶出矿浆本身具有较高的硬度和腐蚀性，加之在闪蒸系统的高速流动，对管路等部位磨损是不可避免的。

溶出矿浆本为液固两相流，但是在孔板和孔板座磨损、出料管磨穿或操作不当的情况下，大量气体进入矿浆中，形成了气液固三相流。在高速流动和压力、温度不断变化中，气蚀现象严重，更加剧了磨损的速度。

2.孔板与孔板座安装结构不合理。溶出矿浆在闪蒸系统中，呈现紊流状态。紊流是流体质点相互掺混、碰撞的运动轨迹极不规则的运动。在高速流动情况下，矿浆质点的紊流特别剧烈，使料浆压强发生强烈的不可忽视的脉动现象。由于流速快，矿浆惯性力也特别大，对边界的反作用也很敏感，使矿浆与边界的相互作用表现得十分明显。研究表明，料浆的紊流强弱与料浆的流速及边界几何条件有关。边界的凹凸不平，或边界突然改变，或边界形状不符合流线型，都会让主流的流线脱离边界而形成局部涡流。涡流在一定的条件下，会在固体边界产生强烈的气蚀。

由图2可以看出，孔板厚度小于孔板座厚度，安装后两者之间形成了较大的边界角。另外，孔板外径为Φ199，而孔板座内径为Φ200，两者在半径方向上存在O.5mm的间隙。这样的结构，加剧了紊流的磨损作用，并形成了局部涡流产生强烈的气蚀。

3.密封垫老化。孔板和孔板座之间的密封石棉垫，长期在高温高碱情况下使用，极易软化，导致孔板与孔板座的连接螺栓松脱，孔板与孔板座间隙扩大。在高压和涡流作用下，矿浆压溃密封石棉垫，孔板与孔板座的结合面迅速被磨损击穿；更严重是高速的矿浆会在极短时间内切断连接螺栓，孔板随之脱落，危险性极大。

三、延长孔板和孔板座寿命的改进措施

溶出矿浆的成分相对稳定且不易改变，要延长孔板和孔板座的寿命，必须改进安装结构，提高所用材料的耐磨性能。

首先，对孔板的结构实施改进：

1.将孔板厚度加厚，安装后孔板上顶面与孔板座底部保持水平，减少凹凸边界，形成较好的流线结构，如图3所示：

2.改进孔板芯结构，用更耐磨的孔板芯(YG8)代替法兰套(16Mn)与矿浆接触，提高孔板耐磨性，如图4所示：

(a)改造前的孔板　(b)改造后的孔板

其次，取消孔板与孔板座之问的石棉垫，在该密封面以及孔板与孔板座之间的半径间隙内涂抹密封胶。密封胶选用艾志环保垫片预紧材料有限公司的CHESTERTON 860MPG高聚体液体垫片，耐高温耐腐蚀，不仅密封性好，而且有效填充了安装间隙，减少了涡流产生。

最后，将孔板的法兰套与孔板座之间、法兰套与螺栓之间环向焊接，既保证密封效果，又可避免螺栓因热膨胀而松脱。

四、实施改进后的效果

改进后的孔板和孔板座在2006年1月投入使用，同年7月份检查时未发现磨损迹象，直至2007年1月才进行了更换。由此，孔板和孔板座寿命由2个月跨越性地提高到了12个月，每年即可节约备件费用29.6万元。

孔板和孔板座寿命的延长，攻克了闪蒸槽的运行瓶颈，使溶出机组连续运行时间由60天提高到了90天，溶出机组运转率达到了97％，进入同行业领先水平。因为减少了孔板和孔板座的更换频次，每次可缩短检修工期4～6小时，也降低了工人劳动强度。溶出机组运转率的提高和检修次数的减少，每年可节约检修费约200万元。

孔板和孔板座寿命的延长，极大地降低了闪蒸槽的事故停车可能性，保证了生产的连续稳定，创造了安全的作业环境。