高精度微小型空分設(shè)備設(shè)計和裝配工藝研究

何仙來 楊延江 吳婷婷

【摘 要】論文對微小型空分設(shè)備撬裝式稀有氣體分餾塔塔板裝配工藝進(jìn)行分析，分別從塔板結(jié)構(gòu)、性能和強(qiáng)度要求，裝配方法，焊接工藝，材料特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軟釬焊（錫焊）在小型分餾塔塔板裝復(fù)中具有密封佳、變形小，操作簡單，性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。這對稀有氣體這類精巧型設(shè)備研發(fā)提供重要的設(shè)計指導(dǎo)意見，并提高產(chǎn)品制造的精密度，清潔度，小型化，進(jìn)而達(dá)到設(shè)備的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

【Abstract】The paper analyzes the assembly technology of the trays of skid-mounted rare gas fractionating tower of microminiature air separation equipment， and the analysis is carried out from the structure， performance and strength requirements of the trays， and the assembly method， welding process， material characteristics. It is found that solder has may advantages in the assembly of the trays of small fractionating tower， such as good sealing， small deformation， simple operation， reliable performance and so on. It can provide important guidance for the design and development of the refinement equipment of the rare gas， and can improve the precision， cleanliness， miniaturization of product manufacturing， so as to meet the high quality standards of the equipment.

【關(guān)鍵詞】軟釬焊；空分設(shè)備；裝配工藝；微小型；高精度

【Keywords】soldering； air separation plant； assembly technology； miniaturized； high precision

【中圖分類號】TN605 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）10-0195-02

1 引言

氪氙氖氦等稀有氣體在空氣中含量較少，被稱為黃金氣體，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，它們的用途也越來越廣，在燈光行業(yè)、精細(xì)化工、核化學(xué)、放射化學(xué)等領(lǐng)域都有很大用途。在國防工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展中，開發(fā)稀有氣體等微型或小型高精尖空分設(shè)備已成為空分市場未來發(fā)展的趨勢[1]。2 研究目的

撬裝快結(jié)構(gòu)氪、氙、氖、氦提取設(shè)備具備結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、安裝方便等特點(diǎn)。移動式的撬裝設(shè)備要求精餾塔內(nèi)部空間有限，運(yùn)輸高度受到限制，所以篩板式結(jié)構(gòu)分流塔在移動式撬裝設(shè)備中得到首選。但是微型或小型篩板塔組裝空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度大大提高，采用中大型空分分流塔安裝方法顯然達(dá)不到功能設(shè)計的要求。[2]急需探索一種高效、簡潔、實用的裝配方法為設(shè)備微型化設(shè)計做工藝保障。

3 分餾塔分類和特點(diǎn)

3.1 分餾塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

分餾塔按結(jié)構(gòu)可分為：填料式和篩板式兩類。對比優(yōu)缺點(diǎn)如下。

優(yōu)點(diǎn)：填料式分餾塔：①節(jié)能、效率高、技術(shù)成熟；②在減壓和常壓蒸餾條件下，單位塔截面積通氣能力較好；③壓力降小。篩板式分餾塔：①氣或液每經(jīng)過一層塔板都可得到近乎完全混合，液體溝留不均或氣體分布不均都只會影響這一層的分餾效果，對整體影響較??；②持液量較大，易于操作；③內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，靈活性高；④計算比較準(zhǔn)確可靠且方便安裝冷卻管。

缺點(diǎn)：填料式分餾塔：①在高液氣比的條件下傳輸率較低；②塔內(nèi)采用液體分布器，占比空間大，靈活性差，填料層容易堵塞；③操作范圍小，對液體負(fù)荷的變化敏感。當(dāng)液體負(fù)荷較小時，其表面不能很好地潤濕，傳遞效果下降；當(dāng)液體負(fù)荷過大時，容易產(chǎn)生液泛。篩板式分餾塔：①在減壓、常壓、低壓操作下，分離效率略低；②壓降相對高，耗能大。

3.2 塔板制作方案分析

移動式分餾塔采用的是篩板塔，內(nèi)部塔板分別由接液板、孔板、擋板和溢流斗四部分連接組成，如圖1，由于篩板塔塔板厚度較薄，所以在選材和復(fù)合工藝上做了不同對比分析。

3.2.1 裝復(fù)方法分析

對于分餾塔塔板各部件的組裝連接主要有焊接和鉚接兩種，各自特點(diǎn)主要有以下方面，見表1。

塔板的質(zhì)量在分餾塔分餾工況具有重要作用，塔板平整度和塔板的孔徑，孔距精度直接影響精餾效果，所以大型空分設(shè)備塔板多采用鉚接結(jié)構(gòu)，這樣就減少焊接變形，保證塔板的平整度公差在±0.5mm內(nèi)，如圖2。而撬裝式稀有氣體分餾塔體積較小，內(nèi)部塔板間的連接空間有限，且分餾塔內(nèi)塔板各部件要求密封度高，不得漏液，堵塞孔徑。由表1可知，焊接連接強(qiáng)度高，密封性好，重量小，結(jié)構(gòu)簡單，而鉚接連接需要母材搭接，還需要大量的鉚釘固定，對于小型分餾塔塔板連接消耗的無效面積大，在有限空間，使得塔內(nèi)精餾功能和效果降低。

3.2.2 焊接方法分析

目前焊接方法主要有熔化焊和釬焊兩種。

①熔化焊：將填充材料和工件的連接區(qū)基本材料共同加熱至熔化狀態(tài)，在連接處形成熔池，熔池中的液態(tài)金屬冷卻凝固后形成牢固的焊接接頭，使分離工件連接成一個整體。優(yōu)點(diǎn)：焊縫密封性好，強(qiáng)度能達(dá)到與母材一致。缺點(diǎn)：焊接過程中加熱，母材局部受熱致使變形，不易控制。②釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，將釬料和釬劑加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實現(xiàn)連接焊件的方法。根據(jù)塔板的特殊結(jié)構(gòu)和使用功能，錫釬焊具備以下優(yōu)勢：①穩(wěn)定性好，釬焊對母材的物理化學(xué)性能影響小，焊接應(yīng)力和變形較小，焊件變形可降到最低程度，易保障焊件的尺寸精度，可連接性能差別較大的異種金屬。②應(yīng)用范圍廣，對工件厚度無嚴(yán)格要求。③操作簡單，錫釬焊設(shè)備簡單，采用烙鐵加熱釬料，使接頭光滑平整。適合在小空間，連接各種復(fù)雜工件。

小型塔板要求密封性好，且塔板平整度高，考慮塔板厚度較薄，極易焊接變形，塔體直徑小，空間有限，選用烙鐵錫釬焊更為合理。

黃銅H62的最低抗拉強(qiáng)度為δH62=315MPa，表2中錫焊縫比較脆，略低于母材強(qiáng)度，和鋁合金5052（δ5052=195MPa）強(qiáng)度相當(dāng)，具有足夠的連接強(qiáng)度，適用于塔內(nèi)件固定和連接。

3.2.3 材質(zhì)選擇

分餾塔設(shè)計溫度為-196℃，為壓力容器。內(nèi)部清潔度很高。因此要求材料選擇和受壓焊縫具有一定的強(qiáng)度保證。將上述分析，錫釬焊工藝評定抗拉強(qiáng)度無法達(dá)到母材最低強(qiáng)度要求，從壓力容器安全角度出發(fā)，建議受壓件筒節(jié)選用不銹鋼，采用氬弧焊對接，而內(nèi)件選用H62黃銅，采用錫釬焊裝配。如圖3。

4 結(jié)論

①錫焊溫度低，密封性好，具有一定的連接強(qiáng)度，焊后母材不易變形，相比鉚接結(jié)構(gòu)，錫焊裝配更簡單，且重量小，剛性、穩(wěn)定性更好。適用于結(jié)構(gòu)精巧、復(fù)雜的小型塔板等內(nèi)件的裝復(fù)連接。

②微小型壓力容器選用不銹鋼作為外殼受壓件首選材料，而黃銅更適合加工容器內(nèi)件。黃銅硬度低，冷變形加工性能佳，能滿足錫釬焊工藝特性，對于小型分餾塔塔板高精度，高平整度的質(zhì)量要求，成為設(shè)計首選材料。

③黃銅錫釬焊接頭抗拉強(qiáng)度率低于母材，在容器受壓焊縫中應(yīng)用存在一定風(fēng)險，因此黃銅材質(zhì)和錫釬焊工藝在小型空分設(shè)備內(nèi)件制作具有極大的優(yōu)勢，實踐證明該工藝方案可行性、安全性滿足生產(chǎn)和技術(shù)要求。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳裕川.焊接工藝設(shè)計與實例分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

【2】李亞江主編.焊接材料的選用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.