化工設備設計中對高溫結構的思考

劉川

摘 要：隨著經濟的不斷發展，化工設備的使用量在不斷增加，化工設備中的高溫結構也越來越多，這就對化工設備中高溫結構的設計提出了更高的要求。簡要分析和探討了高溫結構設計中存在的幾個問題，以供化工設備的設計人員參考。

關鍵詞：化工設備；高溫結構；結構設計；法蘭連接

中圖分類號：TQ050.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.067

1 化工設備設計中存在的問題

縱觀當前的化工設備設計，許多設計人員對高溫結構的特殊性考慮不足，大都采用與其他常規設備結構相同的設計方法，作用應力的設計也是根據高溫壓力容器的持久強度和可能發生的蠕變極限來考慮、決定的，這就給結構的使用埋下了安全隱患。在化工設備中，高溫結構的設計應全面考慮高溫材料的膨脹量、整體設備的膨脹量和局部結構的膨脹量等因素。特別應高度重視高溫結構中管道法蘭的密封情況，防止設備在高溫高壓下發生泄漏。

在化工設備設計中，設備與設備之間通常都是用管法蘭連接的，而結構的設計、安裝工藝、使用的材料、裝配質量等都將直接影響設備的使用安全和使用壽命。通常情況下，管法蘭的連接方式如圖1所示。由于設備長時間在高溫狀態下工作，法蘭的工作溫度要比螺栓高，軸向拉伸變形比螺栓大，導致螺栓產生溫差應力。這種溫差應力與由壓力引起的拉伸應力疊加會造成螺栓的屈服或蠕變。同時，在高溫作用下，筒壁溫度升高會產生膨脹變形，引起法蘭偏轉，增加螺栓負荷。螺栓拉長和法蘭變形會降低結構墊片的拉緊力，在容器內部壓力的作用下發生泄漏。另外，當法蘭連接承載的壓力由低到高時，墊片承載的壓力也隨之減小。但是，當法蘭的溫度高于螺栓的溫度時，墊片承載的壓力會隨之增大，而當設備殼體溫高于法蘭的溫度時，墊片的負荷會隨之減小。當墊片的載荷小于密封所需的載荷時，就會發生泄漏事故。

為了防止泄漏事故的發生，隨著設備殼體和法蘭溫差的不斷加大，要不斷加大墊片的壓力。在設備正常工作時，墊片的變形與載荷處于平衡狀態，但是，當設備停止工作時，溫度降低，壓力減小，平衡被打破。由于墊片、法蘭和螺栓不斷承受載荷的變化，容易引起疲勞變形，導致泄漏事故的發生。而在預緊螺栓時，所加的載荷也是不均勻的，在高溫作用下，法蘭和墊片會出現局部受熱變形的情況。當局部的載荷小于密封所需載荷時，法蘭連接無法承受設備內部壓力，就會產生泄漏。

在化工設備的高溫結構中，法蘭連接通常采用的是透鏡式金屬墊片。而當工作溫度升高時，由于材質和體積的原因，透鏡式墊片升溫快，法蘭升溫慢，透鏡墊片的受熱膨脹受到法蘭的約束會產生較大的熱應力。這種熱應力與墊片預緊時所受應力疊加就會形成合應力。在合應力的作用下，墊片會發生應力松弛和墊片殘余變形的情況。在降溫時，墊片降溫比法蘭快，形成壓力不足。如此循環往復，累積的殘余變形就會導致接口部的壓力越來越小，最后致使密封失效發生泄漏。

2 防止泄漏事故發生的措施

為了確保化工設備的高溫結構在高溫高壓環境中正常工作，不存在安全隱患，不發生泄漏事故，在設計時，應從以下幾個方面入手。

2.1 控制溫度

為了避免法蘭周向上產生溫差，特別是在有縱向隔板時，在高溫側要裝置隔熱襯里和裝置水夾套，控制周向溫差。在墊片與法蘭內側設置隔熱襯環，降低墊片與法蘭的溫度和它們之間的溫差，避免螺栓產生屈服和蠕變以及法蘭產生變形。同時，要根據溫度和壓力的具體情況選擇墊片，控制法蘭與筒體之間的溫差。通常情況下，工作溫度不應超過300 ℃，當工作溫度超過500 ℃時，應選擇厚材料接管法蘭，使用大螺栓。當接口口徑較大時，要采取對焊連接。

2.2 使用活套連接

相對于其他法蘭來說，活套連接的強度和厚度都具有抗熱優勢，而且采用長螺栓可以更好地吸收熱膨脹，而且不易出現螺栓應力超過屈服極限的情況，還能更好地抵抗熱循環和熱沖擊。活套連接有剛性大的優勢，它可以減少法蘭由于螺栓拉力而發生的偏轉。同時，因為法蘭與管壁是非剛性連接的，所以，要避免法蘭因管壁熱應力傳遞引起的偏轉。活套連接力臂短、螺栓受力小可以減少螺栓的拉長。為了降低成本，一般在管道上使用螺栓法蘭，在其他大直徑設備上則選用活套法蘭。

2.3 增加彈性墊圈

在螺栓上加彈性墊圈，其作用與活套法蘭連接類似，能吸收熱膨脹。但是，溫度不宜過高、壓力不宜過大，否則容易在高溫下回火失去彈性，在螺栓的預緊壓力下被壓平而失去彈性。

另外，還應考慮高溫管線在端點對管道法蘭的推力矩，推力矩過大可能造成法蘭泄漏。化工設備高溫結構應用的Cr—Mo鋼比較多，這樣容易導致壓力過高，存在不安全因素。因此，需對設備進行整體補強，消除壓力過高帶來的安全隱患。

3 結束語

高溫結構設計是化工設備設計中的重要組成部分，而我國對壓力容器的設計并沒有給出相關規定或規范。在化工設備的高溫結構設計中，通常采用與其他常規設備結構相同的設計方法。如果不能充分掌握高溫結構的特殊性，在設計中考慮不周全、設計不嚴謹，就會給化工設備的工作運行埋下安全隱患，甚至會引發重大的安全事故。因此，要高度重視相關工作。在設計過程中，應當充分了解整個過程中存在的問題，努力尋找解決問題的辦法和措施，優化高溫結構設計，以確保化工設備的安全運行。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕