化工设备中高温结构设计问题研究

O孙 昕(江苏省化工机械研究所有限责任公司 江苏南京 210024）

化工设备中高温结构设计问题研究

O孙 昕
(江苏省化工机械研究所有限责任公司 江苏南京 210024）

化学工业是我国重要的支柱产业，随着化工工艺水平不断提高，人们对环保、安全等越来越重视，对于化工设备的结构设计显得尤为重要。本文针对化工设备高温设计问题进行分析，提出了一些可行性措施以供参考。

化工设备；高温结构；设计问题

近年来，我国化工产业快速发展，化工设备的市场竞争也不断增大，逐渐涌现出各种化工设备高温结构优化和设计新技术。但是一些化工设备的高温结构存在着重大安全问题，尤其是垫层、螺旋以及法兰等部件在使用过程中很容易出现变形，严重影响化工设备使用安全。笔者根据化工设备中高温结构的设计存在着的问题进行研究，提出了一些可行性措施以供借鉴。

一、化工设备高温结构设计注意事项

1.化工设备高温控制注意点

法兰作为化工设备高温结构的重要组成部分，温度骤变会对其产生极其不利的影响，很可能引起蠕变，因此在设计法兰时必须加入隔热衬环以适应温度快速转变。隔热衬环的材料通常选用奥氏体不锈钢，必须注意对衬环的温度进行控制，奥氏体不锈钢的热膨胀系数较大，隔热衬环的温度过高则很容易出现焊缝断裂或者剪切。致使衬环出现凹凸不一致，降低了法兰的稳定性，从而影响化工设备的安全稳定运行。法兰设计中必须注意对温度进行控制，一般设计的温度不应超出300℃。

2.化工设备设计注意事项

(1)选择活套法兰

活套法兰具有更强的抵抗热冲击力作用，活套法兰比普通法兰厚，且活套法兰的刚度较大，可通过减少法兰螺栓和法兰张力来控制挠度。活套法兰的管壁与法兰之间采用非刚性连接，故管壁的热应力不会转移到法兰上，进而确保法兰稳定性。法兰厚度和螺栓长度较长可使得螺栓具备较大的热膨胀，使得在较大热度变化下不会超出热极限。化工设备的管道上使用法兰，螺栓的能量吸收大量的热膨胀，也不会使得螺栓应力超出极限。

(2)选择垫片材料

化工设备高温结构设计中垫片材料的选择非常重要，因为垫片直接材料直接影响化工设备抗高温性能。垫片材料选择作为化工设备设计重要环节，既要确保选取的材料符合生产要求，同时也要符合企业的经济要求，必须对市场所有材料进行统计，选择出符合抗高温要求的垫片材料。如，选择金属环垫时通常选用椭圆形或者八角垫作为高温结构设计垫片。这种垫片属于全金属加工制成，具有耐高温、耐高压的性能，使用过程中还能够形成高比压金属线密封线，具有一定的弹性和密封作用。但这种密封结构比较复杂，需要法兰表面加工出比较精度较高的梯形槽，而且垫片本身的精度要求也很高。具体操作中法兰表现的梯形槽会削弱法兰的强度，造成了根部应力集中，很可能引起法兰整体遭到破坏。

(3)螺栓套加弹性圈

化工设备高温结构设计中在螺栓配性圈可以有效防止因为温度过高，而引起化工设备故障。在螺栓配弹性垫圈作用和套筒作用相差无几，可有效减小热膨胀对于化工设备的应力作用。但是，套筒的刚度比要比弹性垫圈大，因此弹性垫圈无法承受太大的密封片预紧力，极易受到压力而变平。弹性垫圈在高温下使用不合适，因为高温作用下会使得弹簧回火而失去弹性。

二、化工设备高温结构设计存在着的问题

1.高温下设备弹性下降

化工设备经常面临着各种危险工况，高温、高酸度、高碱性环境等均会造成设备损耗，一旦不能经受恶劣环境的影响，可能会造成化工企业无法正常生产。而高温设备某些结构部位弹性下降是设备损耗的重要体现，设备弹性下降之后就会出现无法正常吸收热膨胀力，从而引起高温结构难以承受强大的预紧力。

2.化工设备高温环境下产生变形或者蠕变问题

化工设备高温结构持续在高温条件下运行时，螺旋比较容易发生蠕变问题。如，法兰、垫片等均易发生形变或者蠕变，设备的变形和蠕变是高温结构发生故障的主要原因。因此在高温设备维护管理时，必须针对高温设备的螺旋等长期处于高温环境下的部件进行检查，长期坚持检查，并做好相应记录。化工生产要求生产的环境非常严格，对于设备环境耐受能力相当高。化工设备高温生产环境下很容易发生部件变形，那么在处理过程中应加强对易变形部位进行监察预防。

3.化工设备压力问题

化工设备处于高温环境之中，将会给设备带来极大的工作环境压力，这就要求化工设备必须注重加强承受压力能力。化学设备抗压力能力和设备的材料有关，为了满足设备高温条件下的抗压力能力，宜选用抗压能力较好的材料。只有化工设备满足高温条件下的要求，才能够被应用于生产。化工设备高温结构设计时，必须考虑到适应高温结构设备的压力。

三、化工设备高温结构设计解决对策

1.提升设备弹性

弹性垫圈设计时应注意对作用力进行控制，若无法将作用力控制在规定的范围之内，则高温结构会被压扁。化工设备高温结构设计必须控制好温度和压力，使得高温结构的作用得到充分利用。化工设备高温结构增强设备的弹性，应从设计做起，根据高温结构材料以及形状等特征来提升设备结构弹性。

2.解决设备蠕变对策

首先要对化工设备进行损坏原因分析，总结出引起化工设备出现蠕变或者变形的原因，然后根据原因进行对症下药，有针对性对设备的蠕变情况进行控制。化工设备设计时应注重防止法兰、螺栓以及垫圈等高温蠕变等方面控制。设计中应将隔热的衬环安装于法兰的内侧，这样高温产生的热量便可以被隔热衬环分离。

3.准确控制温度和压力

化工设备运行或者停止运行均要保持设备部件正常，所有温度和压力数值均应在化工设备的规定范围值之内。化工设备开车时应先升温再升压，停车之后先降压再降温，工作中必须按照这个顺序操作。另外针对设备进行温度和压力控制还应确保螺栓均匀之后再预紧，预紧过程中确保螺栓扭力矩处于螺栓的承受数值之内，以此来确保设备安全运行。

四、化工设备高温结构设计案例

1.普通法兰连接设计

化工设备高温结构中容器设计中采用对接法进行设计，如图1所示，在容器连接法兰设计时可以选标准普通法兰连接结构。

图1 普通法兰连接结构

高温环境时，法兰位置的温度比螺栓高，法兰的轴向伸长度比螺栓大，因此引起螺栓的温差应力增加会导致拉伸应力相叠加，进而引起螺栓出现蠕变或者变形。化工设备在高温流体作用下，筒壁温度相对较高，而且还会产生膨胀变形造成螺栓负荷大幅度增加，引起螺栓变长或者法兰变形。法兰周围的温度差不一样，造成的变形也不一样，预紧螺栓的负荷也不再是均匀的。法兰连接结构选用透镜式金属垫，因为法兰升温较慢，透镜垫升温快，热膨胀受到法兰的约束而产生较大的热应力，该热应力与预紧力叠加而难以控制。

2.套筒螺栓设计

法兰设计时要满足高温结构的需求，常在垫片和法兰的内部设置隔热衬环，主要用于缓冲螺栓、法兰和垫片的受热情况，并且用以降低三者之间的温度，可有效避免螺栓蠕变和法兰变形。由于法兰和管壁属于非刚性连接，管壁的热应力不会被传递到法兰位置，而引起法兰出现偏转。螺栓的力臂较短，螺栓受到的应力作用较小，可以通过减小螺栓的拉长或者加厚法兰来吸收较大热膨胀。通过套筒加长螺栓，因为螺栓越长其具有补偿热应力作用越强。螺栓和套筒的总长度起到补偿热应力，可以允许法兰具有更大热膨胀位移，从而不至于引起螺栓蠕变。如图2所示为套筒螺栓结构，将螺栓和套筒做成等截面，材料和温度相同情况下，L1=L2，螺栓在有套筒时承受了附加热应力为无套筒时的三分之一。随着套筒长度的增加，螺栓承受的附加热应力将会降低。

图2 套筒螺栓结构

另外在套筒螺栓结构设计中还应对螺栓的垫圈有所考虑，因为套筒螺栓结构之间连接位置受到高温作用，必须吸收较大的热膨胀作用，但是由于弹性垫圈的刚度比套筒小，不能够承受太大的密封垫片预紧力。总之在选择材料的时候必须要考虑到化工设备工作的具体温度环境，因为材料差异其承受温度的能力也存在着很大的差异。

结束语

本文从整体上分析了化工设备高温结构存在着的问题，主要从弹性下降、蠕变、设备压力问题以及限定位置偏离等方面进行深入研究和讨论，并提出了一些应对性措施。然后根据容器设计中的普通法兰连接设计和法兰设计中的套筒螺栓结构设计的案例研究，提出了采用普通法兰连接和套筒螺栓的注意事项以及如何处理，以此来提升对高温设备结构承受应力能力。

[1]周智勇,卢杰,何晖,翟晖.杭氧大型煤化工型空分设备应用实践[J].气体分离,2010,05:10-15.

[2]马大方.煤化工空分设备安全技术的研究(二)[J].气体分离,2015,02:28-35.【作者简介】孙昕（1973～），男，江苏省化工机械研究所有限责任公司，研究方向：化工机械与设备

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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