横管连蒸制浆系统中蒸煮管壁减薄的原因分析

王道文 史晓冬

(山东省特种设备检验研究院聊城分院,山东聊城,252800)

横管连蒸制浆系统中蒸煮管壁减薄的原因分析

王道文 史晓冬

(山东省特种设备检验研究院聊城分院,山东聊城,252800)

介绍了某纸厂 150 t/d以棉秆为原料的连蒸系统中蒸煮管的现场检验情况,分析了棉秆连蒸系统中蒸煮管全面减薄的原因,并提出了相应的对策。

蒸煮管;减薄;磨损;腐蚀

某纸厂 150 t/d连蒸系统以棉秆为原料,采用碱法连续蒸煮半化学浆抄造高强瓦楞原纸,2005年 9月投用[1]。连蒸系统中 3根Φ1520 mm的蒸煮管属于第Ⅰ类压力容器,根据 TSG R7001—2004压力容器定期检验规则的规定,于 2008年 11月对蒸煮管进行了投用后的首次全面检验,以确定其能否在工艺条件下继续安全使用。蒸煮管主要技术参数见表 1。

1 检验内容及现场检验情况

针对蒸煮管的实际运转情况,审查相关技术资料;对蒸煮管进行外部宏观检查,查明其结构、几何尺寸、表面质量和安全附件的状况;壁厚测定、表面渗透检测、硬度检测等,检查端盖与筒体的密封性能。

壁厚测定和硬度检查结果见表 2(按设备排列位置从上到下编号 1#、2#、3#),由于现场设备原因,两端筒体未进行检测。

由于蒸煮管的进出料接管口径较大,两端筒体和接管采用了增加厚度的整体补强方式,中间筒体设计壁厚 16 mm,两端筒体壁厚 25 mm,连蒸系统投用 3年,蒸煮管出现全面减薄,壁厚减薄量分别达到12.3 mm、11.0 mm、9.0 mm。

表1 蒸煮管主要技术参数

表2 蒸煮管实测壁厚和硬度

按棉秆蒸煮工艺参数对蒸煮管进行强度校核[2]：

式中,δ—筒体计算厚度,mm;

P—蒸煮管工作压力,MPa;

D—蒸煮管内径,mm;

[σ]t—蒸煮管材料在工作温度下的许用应力,MPa;

Φ—焊接接头系数,取 0.85。根据QB/T 2067—1994横式连续蒸煮管进出料大接管开孔补强设计规定中对碳素钢板的损耗裕量取值不小于 5 mm,可见蒸煮管的剩余壁厚远不满足生产工艺条件下的强度要求,经安全评定 5级报废。本文拟对蒸煮管全面减薄的产生原因进行分析,以期能对同类连蒸系统的安全使用有所帮助。

2 蒸煮管减薄原因分析

2.1 棉秆原料特性

棉秆由主茎、枝茎、根茎三部分组成,大致比例为 55∶22∶23,主茎可分为皮部 (约占 27%)、木质部(约占 70%)、髓部 (约占 3%)。皮部的最外表面呈破裂不完整状态,含色素,颜色深,主要由不透水性和抗酸性的木栓细胞和角膜组成。皮部的韧皮部约占80%,其纤维属韧皮纤维,与针叶木纤维相似。而木质部就其植物形态结构而言接近于阔叶木,是棉秆的主体。髓部主要由杂细胞组成。全棉秆的化学成分除具有草类原料共同特点外,还含有较多的果胶。棉皮纤维细长、壁较厚,与针叶木纤维相似;棉秆纤维中杂细胞含量较少,与阔叶木材相似。

棉秆原料的上述特有结构造成其材质坚硬的特点,同时棉秆组织中含有的木栓质细胞不透气、不透水,若只切断、不压溃,则只能极有限地毁坏木栓化了的周皮层,使蒸煮药液难以渗透,尤其是木栓化程度很大的根部更难煮透,夹生料更多,使得备料中的破碎、压溃成为制浆过程中的一个关键性因素[3-4]。

2.2 蒸煮工艺对材料的腐蚀影响

常温下,碳素钢在 NaOH环境中相当稳定,因为在金属表面产生了难溶的氢氧化物或氧化物而起保护作用;然而温度的升高对碳素钢在碱液中的腐蚀有显著的促进作用。在热浓碱溶液中,金属表面的保护膜会被破坏,腐蚀速率也会变得较高。如果碱液中存在氧、CO2、氯化物等,也会加速碳素钢的腐蚀。

松散物料在螺旋喂料器中被喂料螺旋和蒸汽压力逐步压缩形成料塞,在料塞管末端形成密实的塞体,随螺旋轴推进料塞不断形成并掉入蒸煮管。在 0.7 MPa蒸汽压和 170℃气相蒸煮环境中,料塞被螺旋推进器上的螺旋叶片推动通过蒸煮管作恒速运动,药液、蒸汽连续不断地与原料密切混合、反应。反应伊始,坚硬的物料在推进螺旋叶片的搅动下,与管壁连续摩擦,破坏了碳素钢表面的钝化保护膜,使得蒸煮管内表面始终保持在活化状态,活化表面比钝化表面的腐蚀速度大得多,同时高温的碱性环境也加快了管壁的磨损速度。随着蒸煮过程的进行,坚硬的物料在高温、高压蒸汽环境中吸收大量的碱液,纤维细胞迅速润胀软化发生脱木素反应,软化的物料减轻了对蒸煮管内壁保护膜的破坏程度,使得蒸煮管的磨蚀量呈依次减小的规律,对 1#～3#蒸煮管超声测厚的数据结果就是很好的证明。

3 解决措施

通过对蒸煮管壁厚减薄原因的分析,笔者认为可从以下方面进行改进。

(1)改进备料工艺

备料工序加入挤压疏解-浸渍预处理,挤压疏解后棉秆纵向分丝帚化、物料结构疏松,不仅软化了物料纤维,同时又增加纤维的比表面积,可加速药液渗透速度,从而减轻对设备的磨损,延长其使用寿命[5]。

(2)改进蒸煮工艺

对于棉秆、木材及竹片等原料,因其结构紧密,不容易被药液浸透,采用 1根倾斜的蒸煮管与数根横管相结合的方式比较合理,可加强药液对原料的浸透,提高蒸煮效率、避免生浆的产生及提高浆的物理强度等。倾斜管的底部充满蒸煮药液,其作用是使蒸煮的物料在管底部得到充分的浸渍和纤维润胀,充分吸收蒸煮液,在其后的气相蒸煮中可以快速反应脱除木素,同时软化的物料也可减轻其对设备的磨损,但是由于斜管有纵、横两个方向的热应变,与横管相结合,对热胀冷缩的热应力很难消除,并且采用斜管使得制浆车间建筑高度大大增加,因此改进蒸煮工艺不是解决蒸煮管腐蚀的最佳方案。

(3)投料要适宜

投料量适宜,原料与蒸汽、药液混合均匀是保证成浆质量、减少生片的必要条件。在工艺设计和实际生产中,蒸煮管有个充满系数,投料多,则浆料中生片就多;反之投料少,料塞无法形成造成反喷,可能会导致安全事故的发生。

使用硬型物料时应采用尽可能长的料塞管,较少的进料量,严格干湿备料工艺,进料速度要慢,蒸汽压力在 0.6～0.7 MPa,温度不低于 160～170℃。

(4)正确选择蒸煮管材料

蒸煮管属于Ⅰ类压力容器,选材既要满足力学性能,又要考虑耐腐蚀性能。研究表明,Cr、Ni、Mo等合金元素可改善 Fe的耐蚀性。在碱性环境中 Cr-Ni奥氏体不锈钢比碳钢有着更加良好的耐腐蚀性能,其耐碱蚀性能随钢中 Ni含量升高而增加,因此对于以棉秆为原料制半化学浆的生产线而言,综合考虑设备的经济性和适用性,可选用 18-8系奥氏体不锈钢或复合钢板建造;复合钢板的基层可以保证蒸煮管的力学性能,不锈钢复合层又可满足耐腐蚀的要求。

而该纸厂另一条相同结构的 150 t/d连蒸生产线采用 0.55 MPa和 160℃的蒸煮工艺、以麦草为原料碱法制浆,系统于 1998年 5月投用,2009年 8月全面检验时,3根蒸煮管的厚度减薄均在 0.2～0.6 mm之间,证明只要针对不同原料的自身特性设计合理的蒸煮工艺流程,碳素钢在正常蒸煮工艺条件下也可满足非木材纤维碱法制浆的安全生产要求。

4 结 语

由上述报废蒸煮管的全面减薄原因分析可知,为延长蒸煮管的使用寿命、保障其安全运行,应做到以下几点：

(1)对于采用新型造纸用材进行制浆时,设计的工艺方案必须考虑到蒸煮器选材的重要性,必要时可进行腐蚀实验,以确定蒸煮工艺对设备腐蚀的影响因素,从而在保证制浆质量的前提下尽可能延长设备的使用寿命。

(2)严格棉秆备料和蒸煮工艺,投料须适量;蒸煮管应在规定的工艺参数下运行,严禁超温、超压运行;蒸煮管进汽压力管道上应配齐减压阀、安全阀和压力表,型号、规格应与蒸煮管的运行参数相适应,并定期进行校验,以保证完好性和灵敏度。

(3)造纸厂应建立健全压力容器安全使用管理制度和操作规程;蒸煮器操作人员应经培训机构培训考核合格后持证上岗,做好蒸煮管的运行记录,发现异常情况及时处理和汇报[6]。

(4)落实、执行好在用蒸煮管的年度检查和定期检验制度,一旦发现问题应及时处理。

[1] 王洪艳,陈书海.连蒸在棉秆浆生产中的应用及设计要点[J].中华纸业,2006(8)：64.

[2] GB150—1998钢别压力容器[S].

[3] 李文龙,李录云.棉秆半化学浆工艺方案设计的总结[J].中国造纸,2006,25(10)：35.

[4] 袁世炬,刘 智.棉秆造纸生产利用[J].湖北工学院学报,1996(1)：62.

[5] 陈书公,杨治国.全棉秆 AMP制浆生产实践[J].中国造纸,2006,25,(8)：68.

[6] 李永峰,桑彦杰.130 t/d麦草浆横管连蒸系统生产经验[J].中国造纸,2005,24(8)：64.

(责任编辑：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,检验师;主要从事压力容器、压力管道的检验研究工作。

2010-09-19