化工設備中高溫結構設計問題研究

O孫 昕(江蘇省化工機械研究所有限責任公司 江蘇南京 210024）

化工設備中高溫結構設計問題研究

O孫 昕
(江蘇省化工機械研究所有限責任公司 江蘇南京 210024）

化學工業是我國重要的支柱產業，隨著化工工藝水平不斷提高，人們對環保、安全等越來越重視，對于化工設備的結構設計顯得尤為重要。本文針對化工設備高溫設計問題進行分析，提出了一些可行性措施以供參考。

化工設備；高溫結構；設計問題

近年來，我國化工產業快速發展，化工設備的市場競爭也不斷增大，逐漸涌現出各種化工設備高溫結構優化和設計新技術。但是一些化工設備的高溫結構存在著重大安全問題，尤其是墊層、螺旋以及法蘭等部件在使用過程中很容易出現變形，嚴重影響化工設備使用安全。筆者根據化工設備中高溫結構的設計存在著的問題進行研究，提出了一些可行性措施以供借鑒。

一、化工設備高溫結構設計注意事項

1.化工設備高溫控制注意點

法蘭作為化工設備高溫結構的重要組成部分，溫度驟變會對其產生極其不利的影響，很可能引起蠕變，因此在設計法蘭時必須加入隔熱襯環以適應溫度快速轉變。隔熱襯環的材料通常選用奧氏體不銹鋼，必須注意對襯環的溫度進行控制，奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數較大，隔熱襯環的溫度過高則很容易出現焊縫斷裂或者剪切。致使襯環出現凹凸不一致，降低了法蘭的穩定性，從而影響化工設備的安全穩定運行。法蘭設計中必須注意對溫度進行控制，一般設計的溫度不應超出300℃。

2.化工設備設計注意事項

(1)選擇活套法蘭

活套法蘭具有更強的抵抗熱沖擊力作用，活套法蘭比普通法蘭厚，且活套法蘭的剛度較大，可通過減少法蘭螺栓和法蘭張力來控制撓度。活套法蘭的管壁與法蘭之間采用非剛性連接，故管壁的熱應力不會轉移到法蘭上，進而確保法蘭穩定性。法蘭厚度和螺栓長度較長可使得螺栓具備較大的熱膨脹，使得在較大熱度變化下不會超出熱極限。化工設備的管道上使用法蘭，螺栓的能量吸收大量的熱膨脹，也不會使得螺栓應力超出極限。

(2)選擇墊片材料

化工設備高溫結構設計中墊片材料的選擇非常重要，因為墊片直接材料直接影響化工設備抗高溫性能。墊片材料選擇作為化工設備設計重要環節，既要確保選取的材料符合生產要求，同時也要符合企業的經濟要求，必須對市場所有材料進行統計，選擇出符合抗高溫要求的墊片材料。如，選擇金屬環墊時通常選用橢圓形或者八角墊作為高溫結構設計墊片。這種墊片屬于全金屬加工制成，具有耐高溫、耐高壓的性能，使用過程中還能夠形成高比壓金屬線密封線，具有一定的彈性和密封作用。但這種密封結構比較復雜，需要法蘭表面加工出比較精度較高的梯形槽，而且墊片本身的精度要求也很高。具體操作中法蘭表現的梯形槽會削弱法蘭的強度，造成了根部應力集中，很可能引起法蘭整體遭到破壞。

(3)螺栓套加彈性圈

化工設備高溫結構設計中在螺栓配性圈可以有效防止因為溫度過高，而引起化工設備故障。在螺栓配彈性墊圈作用和套筒作用相差無幾，可有效減小熱膨脹對于化工設備的應力作用。但是，套筒的剛度比要比彈性墊圈大，因此彈性墊圈無法承受太大的密封片預緊力，極易受到壓力而變平。彈性墊圈在高溫下使用不合適，因為高溫作用下會使得彈簧回火而失去彈性。

二、化工設備高溫結構設計存在著的問題

1.高溫下設備彈性下降

化工設備經常面臨著各種危險工況，高溫、高酸度、高堿性環境等均會造成設備損耗，一旦不能經受惡劣環境的影響，可能會造成化工企業無法正常生產。而高溫設備某些結構部位彈性下降是設備損耗的重要體現，設備彈性下降之后就會出現無法正常吸收熱膨脹力，從而引起高溫結構難以承受強大的預緊力。

2.化工設備高溫環境下產生變形或者蠕變問題

化工設備高溫結構持續在高溫條件下運行時，螺旋比較容易發生蠕變問題。如，法蘭、墊片等均易發生形變或者蠕變，設備的變形和蠕變是高溫結構發生故障的主要原因。因此在高溫設備維護管理時，必須針對高溫設備的螺旋等長期處于高溫環境下的部件進行檢查，長期堅持檢查，并做好相應記錄。化工生產要求生產的環境非常嚴格，對于設備環境耐受能力相當高。化工設備高溫生產環境下很容易發生部件變形，那么在處理過程中應加強對易變形部位進行監察預防。

3.化工設備壓力問題

化工設備處于高溫環境之中，將會給設備帶來極大的工作環境壓力，這就要求化工設備必須注重加強承受壓力能力。化學設備抗壓力能力和設備的材料有關，為了滿足設備高溫條件下的抗壓力能力，宜選用抗壓能力較好的材料。只有化工設備滿足高溫條件下的要求，才能夠被應用于生產。化工設備高溫結構設計時，必須考慮到適應高溫結構設備的壓力。

三、化工設備高溫結構設計解決對策

1.提升設備彈性

彈性墊圈設計時應注意對作用力進行控制，若無法將作用力控制在規定的范圍之內，則高溫結構會被壓扁。化工設備高溫結構設計必須控制好溫度和壓力，使得高溫結構的作用得到充分利用。化工設備高溫結構增強設備的彈性，應從設計做起，根據高溫結構材料以及形狀等特征來提升設備結構彈性。

2.解決設備蠕變對策

首先要對化工設備進行損壞原因分析，總結出引起化工設備出現蠕變或者變形的原因，然后根據原因進行對癥下藥，有針對性對設備的蠕變情況進行控制。化工設備設計時應注重防止法蘭、螺栓以及墊圈等高溫蠕變等方面控制。設計中應將隔熱的襯環安裝于法蘭的內側，這樣高溫產生的熱量便可以被隔熱襯環分離。

3.準確控制溫度和壓力

化工設備運行或者停止運行均要保持設備部件正常，所有溫度和壓力數值均應在化工設備的規定范圍值之內。化工設備開車時應先升溫再升壓，停車之后先降壓再降溫，工作中必須按照這個順序操作。另外針對設備進行溫度和壓力控制還應確保螺栓均勻之后再預緊，預緊過程中確保螺栓扭力矩處于螺栓的承受數值之內，以此來確保設備安全運行。

四、化工設備高溫結構設計案例

1.普通法蘭連接設計

化工設備高溫結構中容器設計中采用對接法進行設計，如圖1所示，在容器連接法蘭設計時可以選標準普通法蘭連接結構。

圖1 普通法蘭連接結構

高溫環境時，法蘭位置的溫度比螺栓高，法蘭的軸向伸長度比螺栓大，因此引起螺栓的溫差應力增加會導致拉伸應力相疊加，進而引起螺栓出現蠕變或者變形。化工設備在高溫流體作用下，筒壁溫度相對較高，而且還會產生膨脹變形造成螺栓負荷大幅度增加，引起螺栓變長或者法蘭變形。法蘭周圍的溫度差不一樣，造成的變形也不一樣，預緊螺栓的負荷也不再是均勻的。法蘭連接結構選用透鏡式金屬墊，因為法蘭升溫較慢，透鏡墊升溫快，熱膨脹受到法蘭的約束而產生較大的熱應力，該熱應力與預緊力疊加而難以控制。

2.套筒螺栓設計

法蘭設計時要滿足高溫結構的需求，常在墊片和法蘭的內部設置隔熱襯環，主要用于緩沖螺栓、法蘭和墊片的受熱情況，并且用以降低三者之間的溫度，可有效避免螺栓蠕變和法蘭變形。由于法蘭和管壁屬于非剛性連接，管壁的熱應力不會被傳遞到法蘭位置，而引起法蘭出現偏轉。螺栓的力臂較短，螺栓受到的應力作用較小，可以通過減小螺栓的拉長或者加厚法蘭來吸收較大熱膨脹。通過套筒加長螺栓，因為螺栓越長其具有補償熱應力作用越強。螺栓和套筒的總長度起到補償熱應力，可以允許法蘭具有更大熱膨脹位移，從而不至于引起螺栓蠕變。如圖2所示為套筒螺栓結構，將螺栓和套筒做成等截面，材料和溫度相同情況下，L1=L2，螺栓在有套筒時承受了附加熱應力為無套筒時的三分之一。隨著套筒長度的增加，螺栓承受的附加熱應力將會降低。

圖2 套筒螺栓結構

另外在套筒螺栓結構設計中還應對螺栓的墊圈有所考慮，因為套筒螺栓結構之間連接位置受到高溫作用，必須吸收較大的熱膨脹作用，但是由于彈性墊圈的剛度比套筒小，不能夠承受太大的密封墊片預緊力。總之在選擇材料的時候必須要考慮到化工設備工作的具體溫度環境，因為材料差異其承受溫度的能力也存在著很大的差異。

結束語

本文從整體上分析了化工設備高溫結構存在著的問題，主要從彈性下降、蠕變、設備壓力問題以及限定位置偏離等方面進行深入研究和討論，并提出了一些應對性措施。然后根據容器設計中的普通法蘭連接設計和法蘭設計中的套筒螺栓結構設計的案例研究，提出了采用普通法蘭連接和套筒螺栓的注意事項以及如何處理，以此來提升對高溫設備結構承受應力能力。

[1]周智勇,盧杰,何暉,翟暉.杭氧大型煤化工型空分設備應用實踐[J].氣體分離,2010,05:10-15.

[2]馬大方.煤化工空分設備安全技術的研究(二)[J].氣體分離,2015,02:28-35.【作者簡介】孫昕（1973～），男，江蘇省化工機械研究所有限責任公司，研究方向：化工機械與設備

Research on High Temperature Structure Design Problem of Chemical Equipment

Sun Xin
（Jiangsu Chemical Machinery Research Institute co., LTD,Jiangsu Nanjing, 210024）

Chemical industry is China’s important pillar industry and with the constantly improving of chemical process level, people pay mo re and more attention to environment and safety, so the chemical equipment structure design becomes especially important. This paper will take analy sis on chemical equipment high temperature design problems and put forward some feasible measures as reference.

chemical equipment；high temperature structure；design problem

TQ

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