徐華壽(中科(廣東)煉化有限公司，廣東 湛江 524012)

0 引言

擠壓造粒機(jī)是聚丙烯裝置內(nèi)最大、最復(fù)雜的機(jī)組，具有輔助系統(tǒng)多、轉(zhuǎn)動(dòng)部件多、運(yùn)行溫度高、操作難度大要求高、對(duì)干擾因素敏感等特點(diǎn)。因此在這個(gè)系統(tǒng)中任意一個(gè)部分出現(xiàn)問(wèn)題都將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行造成影響。筒體冷卻水系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起到為擠壓造粒機(jī)撤熱從而穩(wěn)定筒體溫度的作用，由于本裝置大多數(shù)時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行、擠壓造粒機(jī)依靠電加熱器產(chǎn)生的大部分熱量不能隨物料帶走，主要靠筒體冷卻水撤熱。因此筒體冷卻水溫度控制閥組啟閉頻繁，整個(gè)筒體冷卻水管路出現(xiàn)大幅度振動(dòng)，并產(chǎn)生大量噪聲，導(dǎo)致進(jìn)水軟管、回水軟管經(jīng)常破損、需要頻繁更換；回水支管及總管焊縫處、彎頭處產(chǎn)生砂眼及裂紋需在線動(dòng)火處理；增加了擠壓造粒機(jī)的維護(hù)費(fèi)用、產(chǎn)生過(guò)渡料降低效益，同時(shí)處理作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期以往勢(shì)必對(duì)擠壓造粒機(jī)的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。在此次改造前我們采取了軟管改紫銅制盤管、在水進(jìn)入筒體前增加圓形緩沖罐、在總管增加彈性支撐等措施(如圖1、圖2、圖3所示)，均未根除這個(gè)問(wèn)題。為確保擠壓造粒機(jī)安全平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、改善現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境，必須采取有效措施解決筒體冷卻水振動(dòng)幅度大的問(wèn)題。

圖1 進(jìn)水軟管改紫銅制盤管

圖2 水進(jìn)入筒體前增加圓形緩沖罐

圖3 總管加固定支架

1 筒體冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成及撤熱原理

1.1 筒體冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成

本裝置擠壓造粒機(jī)由日本制鋼所制造，型號(hào)CMP308，筒體冷卻水系統(tǒng)由兩條Φ89的碳鋼主管線、六條進(jìn)水支管、六套溫度控制閥組、六條進(jìn)水軟管、六條回水軟管、六條回水噴嘴管線、一個(gè)冷卻水儲(chǔ)罐、一臺(tái)板式換熱器、兩臺(tái)離心泵(一備一用)構(gòu)成，如圖4所示。除六條回水噴嘴管線水平垂直插入回水總管外，其余部件均采用法蘭連接。擠壓造粒機(jī)本體與冷卻水系統(tǒng)由金屬軟管連接起來(lái)起到緩沖作用。

圖4 筒體冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 筒體冷卻水系統(tǒng)的撤熱原理

擠壓造粒機(jī)的操作溫度一般在220～230 ℃，筒體的熱量主要來(lái)自兩個(gè)方面，一是螺桿在擠壓過(guò)程中，對(duì)物料產(chǎn)生剪切和擠壓作用，通過(guò)剪切和擠壓作用把螺桿的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使聚合物粉料熔融；二是通過(guò)筒體的熱源(電加熱板)加熱筒體、使聚合物粉料細(xì)小顆粒的表面形成熔膜，為進(jìn)一步熔融提供條件。這些熱量并不能全部被物料吸收利用，如不及時(shí)撤走將會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備安全運(yùn)行。筒體冷卻水通過(guò)筒體冷卻水循環(huán)泵把50 ℃的冷卻水送到擠壓造粒機(jī)溫度控制閥前，如圖5所示，當(dāng)筒體溫度超出設(shè)定溫度時(shí)、溫度控制閥組開啟冷卻水進(jìn)入筒體電加熱板夾套將熱量帶出筒體；被加熱的筒體冷卻水經(jīng)板式換熱器冷卻回到冷卻水儲(chǔ)罐再次通過(guò)筒體冷卻水循環(huán)泵送到擠壓造粒機(jī)，如此往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)了對(duì)筒體溫度的精準(zhǔn)控制。

圖5 筒體溫度控制閥

2 筒體冷卻水系統(tǒng)振動(dòng)大的原因分析

筒體冷卻水輸送到擠壓造粒機(jī)前的溫度為50 ℃，壓力0.4 MPa；擠壓造粒機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)筒體溫度控制大于200 ℃。通過(guò)查詢飽和水與飽和蒸汽表[1]如表1可知，0.4 MPa時(shí)水的飽和溫度是143.64 ℃，因此筒體冷卻水進(jìn)入擠壓造粒機(jī)后氣化。由于擠壓造粒機(jī)溫度控制恒定，蒸汽在擠壓造粒機(jī)中的熱力過(guò)程可近似看作定溫過(guò)程。

表1 飽和水與飽和蒸汽表

筒體冷卻水的流動(dòng)過(guò)程如圖6所示。

圖6 筒體冷卻水流動(dòng)過(guò)程

定溫過(guò)程中氣體吸入的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浌?。而?shí)際情況是筒體冷卻水進(jìn)入筒體后首先發(fā)生相變，因此筒體冷卻水獲得的熱能轉(zhuǎn)化為兩部分能量：一部分轉(zhuǎn)化為氣化后的蒸汽的內(nèi)能；另一部分轉(zhuǎn)化為蒸汽的機(jī)械能[1]。在圖6中截取3個(gè)截面對(duì)筒體冷卻水進(jìn)行熱力學(xué)分析及流動(dòng)狀態(tài)分析。筒體冷卻水流過(guò)截面1、截面2時(shí)根據(jù)能量守恒定律可得公式(1)。

由公式(1)可知筒體冷卻水從截面1到截面2的過(guò)程中在筒體中獲得熱能ΔE；這一部分能量轉(zhuǎn)化為筒體冷卻水的內(nèi)能u0和機(jī)械能，此時(shí)的筒體冷卻水蒸汽壓力和流速都得到了提升，z1、z2兩處位置相差不大勢(shì)能變化可忽略不計(jì)。筒體冷卻水蒸汽流出筒體到截面3時(shí)接觸到外界管線，外界管線溫度低于筒體溫度，筒體冷卻水在筒體內(nèi)獲得的內(nèi)能因熱傳導(dǎo)向外界環(huán)境流失，筒體冷卻水蒸汽由氣相向液相轉(zhuǎn)化，體積縮小形成一個(gè)低壓區(qū)，前路壓力較高流速較快的支管及總管回水在此處低壓區(qū)形成沖擊引起振動(dòng)，而且由于回水總管管徑較小，形成緩沖空間小，也導(dǎo)致振動(dòng)加大。此處的沖擊直接引起了支管插入總管的彎頭管壁減薄，導(dǎo)致砂眼裂紋等問(wèn)題。

與此同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中筒體溫度控制閥是根據(jù)筒體溫度的變化而間歇性啟閉，尤其在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，熱量極不平衡、閥門啟閉更為頻繁。當(dāng)溫度控制閥開啟筒體冷卻水進(jìn)入筒體，筒體冷卻水回水管線壓力升高；當(dāng)溫度控制閥關(guān)閉沒有介質(zhì)進(jìn)入筒體，筒體冷卻水回水管線壓力下降。在不斷地啟閉過(guò)程中筒體冷卻水回水管線壓力就出現(xiàn)了交替升降的情況，對(duì)管線造成了類似水錘的作用從而造成整個(gè)冷卻水系統(tǒng)的振動(dòng)。

通過(guò)對(duì)筒體冷卻水在筒體及管線中的熱力學(xué)分析及流動(dòng)狀態(tài)分析可知筒體冷卻水系統(tǒng)大幅震蕩是由筒體冷卻水進(jìn)入筒體時(shí)即發(fā)生了相變又獲得了較高的流速和壓力，以及筒體冷卻水壓力的頻繁升降引起的。因此解決筒體冷卻水系統(tǒng)振動(dòng)大的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)筒體冷卻水回水支管及總管回水降速降壓，同時(shí)增大管徑實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大緩沖空間目標(biāo)。

3 筒體冷卻水系統(tǒng)振動(dòng)大的對(duì)策

根據(jù)上文分析要改善甚至消除筒體冷卻水系統(tǒng)振動(dòng)大的問(wèn)題要從降低筒體冷卻水回水的壓力和流速著手。在原裝的設(shè)計(jì)當(dāng)中筒體冷卻水給水管線與回水管線均由金屬軟管與筒體連接。筒體冷卻水總管均采用Φ89×4.5鋼管，支管采用一英寸鋼管。筒體冷卻水回水支管直接插入回水總管，如圖7所示，插入部分直接頂住總管內(nèi)壁并焊滿形成盲端，在插入管管壁上開有3排×4個(gè)小孔構(gòu)成了筒體冷卻水回水支管噴嘴，噴嘴對(duì)應(yīng)總管的外壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)焊接。六個(gè)噴嘴朝向一致，均朝向儲(chǔ)罐回水方向。原設(shè)計(jì)中采用金屬軟管的目的就是緩沖沖擊，但實(shí)踐證明這一措施效果不明顯。要達(dá)到降低筒體冷卻水回水的壓力和流速的目的我們從回水總管和各回水支管噴嘴入手采取改造對(duì)策。

圖7 筒體冷卻水回水支管與總管匯合

3.1 筒體冷卻水回水總管及各回水支管噴嘴改造對(duì)策

擠壓造粒機(jī)正常生產(chǎn)的工況是穩(wěn)定的，我們對(duì)筒體冷卻水回水管線的改造不會(huì)影響到擠壓造粒機(jī)筒體內(nèi)部的生產(chǎn)過(guò)程，因此筒體冷卻水流過(guò)圖6截面2的各項(xiàng)參數(shù)包括筒體冷卻水的流量、溫度、壓力等在改造前后都不變。由流速的定義可得到流速的計(jì)算公式(2)如下[2]：

式中：c為筒體冷卻水回水總管的流速；qv為筒體冷卻水總管的體積流量；A為筒體冷卻水回水總管內(nèi)截面積。由式(2)可知擴(kuò)大管徑能使流速有效降低。

由于裝置現(xiàn)場(chǎng)空間的限制，筒體冷卻水管線不能隨意擴(kuò)改，要在保證現(xiàn)場(chǎng)操作的前提下進(jìn)行改造。根據(jù)實(shí)際情況，從普通無(wú)縫鋼管中選取了外徑為114 mm的熱軋無(wú)縫鋼管；考慮到管路沖擊較大選取了7 mm的壁厚。對(duì)于圓管截面積將改造前后管徑帶入公式(2)如下：

聯(lián)立(3)、(4)兩式可得c2等于0.64c1，即改造后筒體冷卻水總管流速只有改造前總管流速的64%，流速降低了34%。

經(jīng)過(guò)本文第二部分的分析可知在筒體冷卻水回水支管中也存在沖擊，所以同時(shí)也要進(jìn)行改造。由于總管擴(kuò)徑的原因支管插入總管的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，為增大支管流通面積達(dá)到降低流速的目的而又避免在總管上開口太大，沒有采取對(duì)支管進(jìn)行擴(kuò)徑的措施而是采取在新增長(zhǎng)的部分進(jìn)行開孔。在原有的3排×4個(gè)噴孔基礎(chǔ)上并排增加了兩排同樣規(guī)格的噴孔，達(dá)到5排×4個(gè)噴孔，使噴孔總數(shù)達(dá)到20個(gè)并在回水總管管線外壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)焊接。對(duì)于噴嘴的流通面積A等于單個(gè)噴孔面積乘以噴孔個(gè)數(shù)，即A=n×A0；將改造前后數(shù)據(jù)帶入公式(2)如下：

聯(lián)立(5)、(6)兩式可計(jì)算出改造后支管噴嘴處的流速c4為原有流速c3的60%，即降速40%。

由于支管噴嘴處的流通面積和回水總管管徑的擴(kuò)大，使兩股量流速和壓力有所降低，總管緩沖空間增大，使管路中壓力也得到了有效的釋放空間，降低了對(duì)管路的沖擊。筒體冷卻水改造情況對(duì)比如表2所示。

表2 筒體冷卻水回水管線改造前后對(duì)比

筒體冷卻水系統(tǒng)的改造于2015年裝置大檢修期間完成至今運(yùn)行6年多，如圖8所示。

圖8 筒體冷卻水系統(tǒng)改造后運(yùn)行情況

2015年12月至今在各種生產(chǎn)負(fù)荷下運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)管線都無(wú)明顯振動(dòng)，未出現(xiàn)砂眼、裂紋等問(wèn)題。本次改造取得良好效果，振動(dòng)問(wèn)題得到有效解決。筒體冷卻水系統(tǒng)改造前后效果對(duì)比如表3所示。

表3 筒體冷卻水系統(tǒng)改造后效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

聚丙烯裝置加壓造粒單元系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備多，每一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響擠壓造粒機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在本次改造過(guò)程中通過(guò)科學(xué)計(jì)算，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)盡可能減少對(duì)原設(shè)計(jì)的改動(dòng)，既保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定又解決了實(shí)際問(wèn)題。截至目前，筒體冷卻水系統(tǒng)管線及金屬軟管未發(fā)生疲勞裂紋、砂眼、沖刷而漏水等故障，實(shí)踐證明是一次對(duì)策成功的改造，同時(shí)也為同行人員處理此類問(wèn)題提供了借鑒和參考。