化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

O孫 昕(江蘇省化工機(jī)械研究所有限責(zé)任公司 江蘇南京 210024）

化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

O孫 昕
(江蘇省化工機(jī)械研究所有限責(zé)任公司 江蘇南京 210024）

化學(xué)工業(yè)是我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著化工工藝水平不斷提高，人們對(duì)環(huán)保、安全等越來(lái)越重視，對(duì)于化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文針對(duì)化工設(shè)備高溫設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了一些可行性措施以供參考。

化工設(shè)備；高溫結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)問(wèn)題

近年來(lái)，我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，化工設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也不斷增大，逐漸涌現(xiàn)出各種化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)新技術(shù)。但是一些化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)存在著重大安全問(wèn)題，尤其是墊層、螺旋以及法蘭等部件在使用過(guò)程中很容易出現(xiàn)變形，嚴(yán)重影響化工設(shè)備使用安全。筆者根據(jù)化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在著的問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了一些可行性措施以供借鑒。

一、化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1.化工設(shè)備高溫控制注意點(diǎn)

法蘭作為化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的重要組成部分，溫度驟變會(huì)對(duì)其產(chǎn)生極其不利的影響，很可能引起蠕變，因此在設(shè)計(jì)法蘭時(shí)必須加入隔熱襯環(huán)以適應(yīng)溫度快速轉(zhuǎn)變。隔熱襯環(huán)的材料通常選用奧氏體不銹鋼，必須注意對(duì)襯環(huán)的溫度進(jìn)行控制，奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)較大，隔熱襯環(huán)的溫度過(guò)高則很容易出現(xiàn)焊縫斷裂或者剪切。致使襯環(huán)出現(xiàn)凹凸不一致，降低了法蘭的穩(wěn)定性，從而影響化工設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。法蘭設(shè)計(jì)中必須注意對(duì)溫度進(jìn)行控制，一般設(shè)計(jì)的溫度不應(yīng)超出300℃。

2.化工設(shè)備設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1)選擇活套法蘭

活套法蘭具有更強(qiáng)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(guò)減少法蘭螺栓和法蘭張力來(lái)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(yīng)力不會(huì)轉(zhuǎn)移到法蘭上，進(jìn)而確保法蘭穩(wěn)定性。法蘭厚度和螺栓長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(huì)超出熱極限。化工設(shè)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(huì)使得螺栓應(yīng)力超出極限。

(2)選擇墊片材料

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中墊片材料的選擇非常重要，因?yàn)閴|片直接材料直接影響化工設(shè)備抗高溫性能。墊片材料選擇作為化工設(shè)備設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)，既要確保選取的材料符合生產(chǎn)要求，同時(shí)也要符合企業(yè)的經(jīng)濟(jì)要求，必須對(duì)市場(chǎng)所有材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇出符合抗高溫要求的墊片材料。如，選擇金屬環(huán)墊時(shí)通常選用橢圓形或者八角墊作為高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(jié)構(gòu)比較復(fù)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(xiàn)的梯形槽會(huì)削弱法蘭的強(qiáng)度，造成了根部應(yīng)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(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在螺栓配性圈可以有效防止因?yàn)闇囟冗^(guò)高，而引起化工設(shè)備故障。在螺栓配彈性墊圈作用和套筒作用相差無(wú)幾，可有效減小熱膨脹對(duì)于化工設(shè)備的應(yīng)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(wú)法承受太大的密封片預(yù)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?yàn)楦邷刈饔孟聲?huì)使得彈簧回火而失去彈性。

二、化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著的問(wèn)題

1.高溫下設(shè)備彈性下降

化工設(shè)備經(jīng)常面臨著各種危險(xiǎn)工況，高溫、高酸度、高堿性環(huán)境等均會(huì)造成設(shè)備損耗，一旦不能經(jīng)受惡劣環(huán)境的影響，可能會(huì)造成化工企業(yè)無(wú)法正常生產(chǎn)。而高溫設(shè)備某些結(jié)構(gòu)部位彈性下降是設(shè)備損耗的重要體現(xiàn)，設(shè)備彈性下降之后就會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常吸收熱膨脹力，從而引起高溫結(jié)構(gòu)難以承受強(qiáng)大的預(yù)緊力。

2.化工設(shè)備高溫環(huán)境下產(chǎn)生變形或者蠕變問(wèn)題

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)持續(xù)在高溫條件下運(yùn)行時(shí)，螺旋比較容易發(fā)生蠕變問(wèn)題。如，法蘭、墊片等均易發(fā)生形變或者蠕變，設(shè)備的變形和蠕變是高溫結(jié)構(gòu)發(fā)生故障的主要原因。因此在高溫設(shè)備維護(hù)管理時(shí)，必須針對(duì)高溫設(shè)備的螺旋等長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下的部件進(jìn)行檢查，長(zhǎng)期堅(jiān)持檢查，并做好相應(yīng)記錄。化工生產(chǎn)要求生產(chǎn)的環(huán)境非常嚴(yán)格，對(duì)于設(shè)備環(huán)境耐受能力相當(dāng)高。化工設(shè)備高溫生產(chǎn)環(huán)境下很容易發(fā)生部件變形，那么在處理過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)易變形部位進(jìn)行監(jiān)察預(yù)防。

3.化工設(shè)備壓力問(wèn)題

化工設(shè)備處于高溫環(huán)境之中，將會(huì)給設(shè)備帶來(lái)極大的工作環(huán)境壓力，這就要求化工設(shè)備必須注重加強(qiáng)承受壓力能力。化學(xué)設(shè)備抗壓力能力和設(shè)備的材料有關(guān)，為了滿足設(shè)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(shè)備滿足高溫條件下的要求，才能夠被應(yīng)用于生產(chǎn)。化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到適應(yīng)高溫結(jié)構(gòu)設(shè)備的壓力。

三、化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決對(duì)策

1.提升設(shè)備彈性

彈性墊圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)作用力進(jìn)行控制，若無(wú)法將作用力控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，則高溫結(jié)構(gòu)會(huì)被壓扁。化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須控制好溫度和壓力，使得高溫結(jié)構(gòu)的作用得到充分利用。化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)增強(qiáng)設(shè)備的彈性，應(yīng)從設(shè)計(jì)做起，根據(jù)高溫結(jié)構(gòu)材料以及形狀等特征來(lái)提升設(shè)備結(jié)構(gòu)彈性。

2.解決設(shè)備蠕變對(duì)策

首先要對(duì)化工設(shè)備進(jìn)行損壞原因分析，總結(jié)出引起化工設(shè)備出現(xiàn)蠕變或者變形的原因，然后根據(jù)原因進(jìn)行對(duì)癥下藥，有針對(duì)性對(duì)設(shè)備的蠕變情況進(jìn)行控制。化工設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重防止法蘭、螺栓以及墊圈等高溫蠕變等方面控制。設(shè)計(jì)中應(yīng)將隔熱的襯環(huán)安裝于法蘭的內(nèi)側(cè)，這樣高溫產(chǎn)生的熱量便可以被隔熱襯環(huán)分離。

3.準(zhǔn)確控制溫度和壓力

化工設(shè)備運(yùn)行或者停止運(yùn)行均要保持設(shè)備部件正常，所有溫度和壓力數(shù)值均應(yīng)在化工設(shè)備的規(guī)定范圍值之內(nèi)。化工設(shè)備開(kāi)車時(shí)應(yīng)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(gè)順序操作。另外針對(duì)設(shè)備進(jìn)行溫度和壓力控制還應(yīng)確保螺栓均勻之后再預(yù)緊，預(yù)緊過(guò)程中確保螺栓扭力矩處于螺栓的承受數(shù)值之內(nèi)，以此來(lái)確保設(shè)備安全運(yùn)行。

四、化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例

1.普通法蘭連接設(shè)計(jì)

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)中容器設(shè)計(jì)中采用對(duì)接法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，在容器連接法蘭設(shè)計(jì)時(shí)可以選標(biāo)準(zhǔn)普通法蘭連接結(jié)構(gòu)。

圖1 普通法蘭連接結(jié)構(gòu)

高溫環(huán)境時(shí)，法蘭位置的溫度比螺栓高，法蘭的軸向伸長(zhǎng)度比螺栓大，因此引起螺栓的溫差應(yīng)力增加會(huì)導(dǎo)致拉伸應(yīng)力相疊加，進(jìn)而引起螺栓出現(xiàn)蠕變或者變形。化工設(shè)備在高溫流體作用下，筒壁溫度相對(duì)較高，而且還會(huì)產(chǎn)生膨脹變形造成螺栓負(fù)荷大幅度增加，引起螺栓變長(zhǎng)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(yù)緊螺栓的負(fù)荷也不再是均勻的。法蘭連接結(jié)構(gòu)選用透鏡式金屬墊，因?yàn)榉ㄌm升溫較慢，透鏡墊升溫快，熱膨脹受到法蘭的約束而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力與預(yù)緊力疊加而難以控制。

2.套筒螺栓設(shè)計(jì)

法蘭設(shè)計(jì)時(shí)要滿足高溫結(jié)構(gòu)的需求，常在墊片和法蘭的內(nèi)部設(shè)置隔熱襯環(huán)，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(yīng)力不會(huì)被傳遞到法蘭位置，而引起法蘭出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。螺栓的力臂較短，螺栓受到的應(yīng)力作用較小，可以通過(guò)減小螺栓的拉長(zhǎng)或者加厚法蘭來(lái)吸收較大熱膨脹。通過(guò)套筒加長(zhǎng)螺栓，因?yàn)槁菟ㄔ介L(zhǎng)其具有補(bǔ)償熱應(yīng)力作用越強(qiáng)。螺栓和套筒的總長(zhǎng)度起到補(bǔ)償熱應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(shí)承受了附加熱應(yīng)力為無(wú)套筒時(shí)的三分之一。隨著套筒長(zhǎng)度的增加，螺栓承受的附加熱應(yīng)力將會(huì)降低。

圖2 套筒螺栓結(jié)構(gòu)

另外在套筒螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)對(duì)螺栓的墊圈有所考慮，因?yàn)樘淄猜菟ńY(jié)構(gòu)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(yù)緊力。總之在選擇材料的時(shí)候必須要考慮到化工設(shè)備工作的具體溫度環(huán)境，因?yàn)椴牧喜町惼涑惺軠囟鹊哪芰σ泊嬖谥艽蟮牟町悺?/p>

結(jié)束語(yǔ)

本文從整體上分析了化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)存在著的問(wèn)題，主要從彈性下降、蠕變、設(shè)備壓力問(wèn)題以及限定位置偏離等方面進(jìn)行深入研究和討論，并提出了一些應(yīng)對(duì)性措施。然后根據(jù)容器設(shè)計(jì)中的普通法蘭連接設(shè)計(jì)和法蘭設(shè)計(jì)中的套筒螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)以及如何處理，以此來(lái)提升對(duì)高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力能力。

[1]周智勇,盧杰,何暉,翟暉.杭氧大型煤化工型空分設(shè)備應(yīng)用實(shí)踐[J].氣體分離,2010,05:10-15.

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

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