关于化工设备中高温结构的设计问题

刘 磊

（山西省化工设计院，山西 太原 030024）

引 言

高温结构是化工设备中的重中之重，高温结构设计对化工设备的安全运行起着重要的作用，这也是增加化工设备使用时间的关键点。随着化学工业的快速发展，化学工业设备的市场逐渐扩大，涌现出越来越多的新发明的高温化学工业设备，但新发明的这些高温化工设备存在的质量问题令人堪忧。垫片、法兰、螺旋等部件在使用过程中经常会出现变形问题，或者会发生蠕变变形，亦或是部件结构弹性的下降，而不良的高温结构设计正是导致这些问题的症结所在。所以，要解决高温化学工艺设备所存在的问题，可以从设计阶段或者分析高温结构设计等方面存在的问题考虑［1－2］。

1 化工设备高温结构设计存在的问题及解决措施

1.1 高温结构弹性下降的问题与对策

处在高温条件下的化工设备，其结构的弹性很敏感，容易被影响，化工设备的整体功能会受到结构弹性的限制。所以，在结构部件设计开始阶段，可以设置对应的螺旋弹性垫圈。弹性垫圈的作用类似于套筒，可使化工设备结构弹性得到提高，同时也会影响法兰，对于热膨胀的不足可以有效吸收。与套筒相比较，弹性垫圈具有的结构较小。由于密封垫片的预紧力很强，所以密封垫片对于此类结构具有较大的约束力，难以承受很强的预紧力。在设计方面，应注意控制作用力所起的作用，如果作用力超过规定范围，该结构有被压扁的危险。因此，对于压力和温度的控制，是该结构设计的关键点，也是提高设备整体结构弹性的前提。

1.2 高温结构所产生的变形或蠕变问题及对策

当化学工艺设备在高温条件下运行时，螺旋容易发生蠕变现象。而法兰、垫片等容易变形，对化工设备有着很大的影响，这也是高温条件下化工设备易损坏的重要原因。因此，化工设备结构设计的重、难点就体现在采用何种方法能有效地减少或防止法兰、垫圈、螺钉等在高温条件下发生变形或蠕变。在设计过程中，将对应的隔热衬环安置于法兰或垫片内侧，热量可以被隔热衬环有效分离，进一步对法兰、垫圈和螺栓产生影响，使其受到的热辐射明显下降，改变其温度，还可以有效地降低设备的结构各组成部分之间的温度差，提高化学工艺设备的整体性能，减少或避免缠绕法兰、垫片、螺旋在高温条件下的蠕变或变形，延长化学工艺设备的使用时间。

2 化工设备高温结构设计中的注意事项

2.1 严谨设置设计参数

工艺参数的设置在化工工艺生产中是非常必要的，只有这些基本参数正确，才能保证化工安全生产。设计化工设备的高温结构是一项艰难过程，设计人员应认真、负责、谨慎，不能对设计细节有所忽视。因为任何差值都可能影响到推理值的精确性。如，推力矩数值与实际值有微小差别或不符合有关标准和要求时，就会引起如法兰泄漏等许多问题，对化学工艺设备的安全运行产生不良影响。因此，在设计化学设备高温结构时，必须对参数作进一步的检查，以确保所有参数的准确，使得细节不会出现不符合规定的情况。

2.2 注意对温度的控制

在法兰设计中必须注意控制温度，温度的骤变有可能会引起剧烈反应，因此，应设置相应的隔热衬环，使温度转变经历更多的过程。如果选用奥氏体不锈钢作为衬环板材料，则应注意控制温度，奥氏体不锈钢与低合金钢或碳钢材料相比较，奥氏体不锈钢的热胀系数会很大，此时如果法兰的温度过高（超过300℃），那么在隔热衬环设置环节和焊接工艺中，就容易出现焊缝剪切的问题，导致衬环板凸出，使法兰的稳定性降低，影响安全运行。因此，在法兰设计中，设计者必须注意温度的控制，通常不超过300℃。

2.2.1 使用活套法兰

活套法兰，可以更好地抵抗热循环和热冲击。活套法兰比一般正常的法兰厚，而且活套法兰刚度大，挠度可通过减少法兰和法兰螺栓张力而减少。由于管壁与法兰采用的连接方式是非刚性连接，因此管壁热应力不会转移到法兰，从而使得法兰发生偏转。短力臂和螺栓应力小等条件可以减少螺栓伸长。与此同时，由于法兰厚度较大和法兰螺栓长度较长的缘故，螺栓能吸收大量的热膨胀，也不容易导致螺栓应力超过屈服极限。一般来说，在管道上可使用螺纹法兰。而在大直径的设备上需要使用其他形式的活套法兰，否则成本太高。

2.2.2 螺栓上加弹性垫圈

在螺栓上增加弹性垫圈。此类结构与套筒所产生的作用相近似，能够有效地减小热膨胀对化工设备的影响。然而，由于套筒的刚度比弹性垫圈的刚度大得多，因此弹性垫圈无法承受太大的密封片预紧力，容易受到压力而导致变平。弹性垫圈不适合在高温高压下使用。否则，在回火的情况下会失去弹性。

2.2.3 垫片材料的选择

在设计中还应注意到实际工程中容易产生的问题。比如，高温管路对于末端管法兰所产生的推力矩的计算，末端推力矩过大容易导致法兰泄漏，设计者应与配管专业合作并确认。在对管道进行生产作业和对管路进行改造时，对于管法兰允许的推力矩数值应向制造厂进行提示。

3 对化工设备中高温结构进行安全检验

化工设备中的高温结构关系到整体工艺的完整性，作为一种工艺设备在其特殊的工作条件下会发生压力较大或者温度骤变等情况，而这些缺陷不仅会对整个工艺产生重要影响，而且会对工作人员造成不可避免的损失。因此，对于化工设备中高温结构进行定期检验，可以减少不必要的损失，同时对整个工艺和工作人员的人身安全负责［3－4］。

4 结论

化工设备高温结构的设计是保证化工设备安全运行的重要前提，要高度重视并加强对化工设备的高温结构设计，注意分析高温结构设计中所隐藏的诸多问题，并致力于寻找解决问题的方法和措施，同时对化工设备的结构进行不断优化。

［1］ 高创.化工工艺的设备结构适应性设计探讨［J］.科技风，2011（5）：260.

［2］ 刘淑敏，袁秀英.镍及其在工业中的应用［J］.天津职业大学学报，2000（3）：24－27.

［3］ 颜炳发.浅谈化工工艺和设备安全性评价［J］.黑龙江科技信息，2011（17）：132，208.

［4］ 曹文辉.化工设备设计中对高温结构的考虑［J］.化工设备与管道，2008，45（3）：14－17.