化工設備設計中對高溫結構的分析

馬志富

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132001）

化工設備與其他設備存在較大的差異，設計中需全方位考量設備的耐高溫性能。如今，化工設備高溫結構設計中，由于結構形式、材質特點和高溫反應等多種因素的影響，設計的難點較多，工作人員要準確把握結構設計中的問題，確保化工設備的穩定運行，優化化工設備高溫結構設計。

1 化工設備中高溫結構選用

化工設備的高溫、高壓器材中，透鏡式金屬墊經常被用作連接法蘭。高溫高環境中，大面積法蘭的影響顯著，透鏡電升溫較為遲緩，引發了墊片松弛和變形問題，且溫度下降時，法蘭的冷卻速度較慢。低壓環境中，泄露情況較為常見。對此，需采取切實有效的應對措施確保法蘭溫度略高于周邊溫度或與周邊溫度持平。在選擇墊片時，要綜合壓力和溫度等多種因素，使筒體與法蘭溫度基本相同，規避泄露問題，如溫度為500℃以上，則可使用大螺栓，并結合實際確定用于連接法蘭的材料厚度。上述措施有利于維護設備運行的安全性。如接管口直徑相對較大，則可以根據結構特點和運行要求科學選擇焊接方法。

2 化工設備高溫結構設計難點分析

化工設備的運行環境本就復雜，高溫狀態下產生的化學反應也相對較多，如果不能保證設計的有效性，設備運行故障問題也會逐漸增多，進而阻礙化工生產的順利進行。通過對近幾年化工設備運行狀態的分析，企業對高溫結構設計也有了新的要求，現將存在的設計難點概括如下。

2.1 設備使用中彈性減弱

高溫環境對化工設備的使用性能影響顯著，化工設備的高溫結構彈性敏感度較高，外部因素極易干擾高溫結構的性能。化工生產和化工設備運行中，高溫環境會降低化工設備高溫結構的彈性。

對此，要在化工設備高溫結構部件設計初期設置螺旋彈性墊圈，以減輕高溫變形因素的負面影響。結構設計中，設置的高溫墊圈在作用和功能上與套筒相似。工作人員可采取有效措施改變高溫結構部分的彈性變形系數，以加強化工設備結構彈性，其對法蘭也會產生較大影響，充分吸收熱膨脹部分，減輕化工設備因材料膨脹對化工設備高溫結構產生的負面影響。

彈性墊圈與套筒的作用相似度較高，但是，與套筒相比，彈性墊圈的體積較小，若利用密封墊片，則能夠獲得較大的預緊力。在設計化工設備高溫結構時，也以可嚴格控制結構承受的作用力范圍，防止作用力過大而出現高溫結構變形現象，以提高化工設備結構彈性為重點。

2.2 結構變形及蠕變

化工設備高溫運行時，高溫因素容易使螺旋連接出現蠕變問題，且溫度過高也會導致高溫結構部分法蘭和墊片等構件出現變形，進而降低化工設備高溫結構連接的密封性和牢固性，化工結構出現運行異常的概率明顯升高。

在化工設備高溫結構設計中，應正確處理化工設備高溫結構中法蘭、墊圈和螺釘在高溫環境下產生單位變形和蠕變問題。為妥善解決上述問題，設計人員需在隔熱襯環或墊片內側設置隔熱襯環，有效隔離高溫運行中產生的熱量，防止化工設備運行中的高溫環境破壞法蘭、墊圈和螺栓的性能。

另外，利用隔熱襯環也以可嚴格把控設備結構多個組成構件的溫度差，完善化工設備高溫結構的性能。利用隔熱環襯可以有效減輕法蘭、墊圈及螺栓的熱輻射效應，完善化工設備在高溫條件下的運行性能。再者，隔熱環襯能夠嚴格把控設備構件間的溫度差，優化化工設備高溫結構性能，規避蠕變和變形問題，延長化工設備的使用壽命。

3 化工設備高溫結構設計中需注意的問題

為提高化工設備高溫結構設計合理性，應針對尚存問題和難點，加大分析力度，參照化工生產的具體要求，有針對性地開展設計活動，以維護化工設備高溫結構運行的安全性，規避生產中故障或危險的發生。鑒于此，在化工設備高溫結構設計中，需要注意的重點內容如下。

3.1 科學設置設計參數

化工工藝生產中，科學設置工藝參數尤為關鍵，這也是保障化工生產安全的重要基礎。化工設備設計的復雜性較強，設計難度較大。設計人員要在設計中始終秉承認真負責的態度，高度重視設計細節。設計中的失誤對預設值的準確性影響顯著，如推力矩數值小于實際數值或無法滿足標準要求時，法蘭泄露等問題發生的概率會隨之升高。所以，在化學設備高溫結構設計階段，務必仔細檢查結構參數，增強參數的準確性和科學性，使細節設計高度滿足規范要求。

3.2 嚴格控制溫度

化工設備高溫結構法蘭連接中，若溫度在短時間內發生明顯的變化，則法蘭連接中也會產生較為劇烈的反應，此時，為有效減輕高溫對化工設備高溫結構產生的不利影響，應在連接部分設置隔熱襯環，以防止溫度驟變。若以奧氏體不銹鋼為襯環板的主材，則必須嚴格控制化工設備高溫結構的溫度。奧氏體不銹鋼容易出現熱膨脹，且熱膨脹體積較大，如法蘭溫度超標，則在設置隔熱襯環和焊接施工中，易于產生焊縫剪切問題，隔熱襯環板向外凸出，無法保證法蘭連接的穩定性和安全性，也會影響化工設備高溫結構法蘭連接的緊密性。對此，法蘭設計人員務必高度重視溫度對化工設備高溫結構的影響，連接溫度不得超過300℃，以此改進法蘭連接的緊密性。

此外，若想有效控制溫度，則必須合理應用活套法蘭，使用活套法蘭還可以有效抵御熱循環及熱沖擊的不利影響。與普通法蘭相比，活法蘭厚度較大，其剛度優勢更為明顯，采取有效措施降削弱蘭及法蘭螺栓的張力可降低其撓度。活套法蘭廣泛應用在管道中，如將活套法蘭應用在大直徑設備中，則需投入較高的成本。

或者也可在螺栓上增設彈性墊圈，應用彈性墊圈可以顯著降低熱膨脹對化工設備運行性能的負面影響，但是，墊片體積剛度也會對設備產生明顯的影響，彈性墊圈能夠承受的預緊力也十分有限。高溫環境下應用彈性墊圈容易在回火時削弱墊圈的彈性。工作人員需結合實際科學，選擇化工設備高溫結構中的墊片材料。

3.3 螺栓上部設置彈性墊圈

在螺栓上要求人員根據設備概況增設彈性墊圈，該結構的作用與套筒作用基本相同，其可減輕熱膨脹對化工設備的不利影響，但是，套筒剛度要明顯大于彈性墊圈的剛度。彈性墊圈無法承受較大的密封預緊力，受到壓力影響后容易發生形變。且彈性墊圈通常不適用于高溫環境，如出現回火問題，則墊圈可以在短時間內失去彈性。

3.4 合理選擇墊片材料

設計中，也應關注工程中容易出現的問題，如高溫管路對末端管法蘭的推力矩超出正常范圍，則會引發法蘭泄露等問題，設計人員要在設計前與配管專業人員積極溝通與配合，及時確認參數的數值。管道生產作業及管路改造的過程中，需向制造廠提示管法蘭的允許推力矩值。

3.5 注重化工設備高溫結構安全檢驗

化工設備高溫結構的可靠性直接關系到工藝的科學性與完整性。因此，在日常工作中，設備操作及維護人員要對化工設備高溫結構開展定期檢驗和檢測，第一時間發現化工設備高溫結構運行過程中所產生的安全隱患，加強化工設備高溫結構工藝的科學性與可靠性。

3.6 做好對于化工設備高溫結構的安全檢驗

化工設備高溫結構設計時，為增強結構的合理性，確保工藝技術的有效落實，就需要對材料、構成部分等進行詳細細致的驗收檢查和分析，使其符合化工設備高溫作業的要求，減少生產過程中安全隱患的出現。另外，在化工設備高溫結構設計中，還需做到經驗和教訓的積累與分析，做好數據收集、整理及分析，以改善設計效果，發揮化工設備的性能。對于舊設備，應提取其中優勢結合先進技術和材料，完成改造和創新。

設計完成后，需開展安全檢驗工作，準確記錄設備運行中存在的問題，對高溫結構進行調整和完善，并保留原始數據作為參考。

4 結語

綜合以上分析可知，化工設備高溫結構設計中，設計人員需準確掌握設計的重難點問題，顯著改善結構設計質量。當前，在化工設備高溫結構設計中，結構使用過程中彈性明顯下降問題和高溫結構變形或蠕變問題是較為棘手的難題，要求人員在設計中采取多種措施解決上述問題，注重化工設備的安全檢驗，以此提升結構設計水平，減少損失的形成。