化工设备设计中对高温结构的分析

马志富

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132001）

化工设备与其他设备存在较大的差异，设计中需全方位考量设备的耐高温性能。如今，化工设备高温结构设计中，由于结构形式、材质特点和高温反应等多种因素的影响，设计的难点较多，工作人员要准确把握结构设计中的问题，确保化工设备的稳定运行，优化化工设备高温结构设计。

1 化工设备中高温结构选用

化工设备的高温、高压器材中，透镜式金属垫经常被用作连接法兰。高温高环境中，大面积法兰的影响显著，透镜电升温较为迟缓，引发了垫片松弛和变形问题，且温度下降时，法兰的冷却速度较慢。低压环境中，泄露情况较为常见。对此，需采取切实有效的应对措施确保法兰温度略高于周边温度或与周边温度持平。在选择垫片时，要综合压力和温度等多种因素，使筒体与法兰温度基本相同，规避泄露问题，如温度为500℃以上，则可使用大螺栓，并结合实际确定用于连接法兰的材料厚度。上述措施有利于维护设备运行的安全性。如接管口直径相对较大，则可以根据结构特点和运行要求科学选择焊接方法。

2 化工设备高温结构设计难点分析

化工设备的运行环境本就复杂，高温状态下产生的化学反应也相对较多，如果不能保证设计的有效性，设备运行故障问题也会逐渐增多，进而阻碍化工生产的顺利进行。通过对近几年化工设备运行状态的分析，企业对高温结构设计也有了新的要求，现将存在的设计难点概括如下。

2.1 设备使用中弹性减弱

高温环境对化工设备的使用性能影响显著，化工设备的高温结构弹性敏感度较高，外部因素极易干扰高温结构的性能。化工生产和化工设备运行中，高温环境会降低化工设备高温结构的弹性。

对此，要在化工设备高温结构部件设计初期设置螺旋弹性垫圈，以减轻高温变形因素的负面影响。结构设计中，设置的高温垫圈在作用和功能上与套筒相似。工作人员可采取有效措施改变高温结构部分的弹性变形系数，以加强化工设备结构弹性，其对法兰也会产生较大影响，充分吸收热膨胀部分，减轻化工设备因材料膨胀对化工设备高温结构产生的负面影响。

弹性垫圈与套筒的作用相似度较高，但是，与套筒相比，弹性垫圈的体积较小，若利用密封垫片，则能够获得较大的预紧力。在设计化工设备高温结构时，也以可严格控制结构承受的作用力范围，防止作用力过大而出现高温结构变形现象，以提高化工设备结构弹性为重点。

2.2 结构变形及蠕变

化工设备高温运行时，高温因素容易使螺旋连接出现蠕变问题，且温度过高也会导致高温结构部分法兰和垫片等构件出现变形，进而降低化工设备高温结构连接的密封性和牢固性，化工结构出现运行异常的概率明显升高。

在化工设备高温结构设计中，应正确处理化工设备高温结构中法兰、垫圈和螺钉在高温环境下产生单位变形和蠕变问题。为妥善解决上述问题，设计人员需在隔热衬环或垫片内侧设置隔热衬环，有效隔离高温运行中产生的热量，防止化工设备运行中的高温环境破坏法兰、垫圈和螺栓的性能。

另外，利用隔热衬环也以可严格把控设备结构多个组成构件的温度差，完善化工设备高温结构的性能。利用隔热环衬可以有效减轻法兰、垫圈及螺栓的热辐射效应，完善化工设备在高温条件下的运行性能。再者，隔热环衬能够严格把控设备构件间的温度差，优化化工设备高温结构性能，规避蠕变和变形问题，延长化工设备的使用寿命。

3 化工设备高温结构设计中需注意的问题

为提高化工设备高温结构设计合理性，应针对尚存问题和难点，加大分析力度，参照化工生产的具体要求，有针对性地开展设计活动，以维护化工设备高温结构运行的安全性，规避生产中故障或危险的发生。鉴于此，在化工设备高温结构设计中，需要注意的重点内容如下。

3.1 科学设置设计参数

化工工艺生产中，科学设置工艺参数尤为关键，这也是保障化工生产安全的重要基础。化工设备设计的复杂性较强，设计难度较大。设计人员要在设计中始终秉承认真负责的态度，高度重视设计细节。设计中的失误对预设值的准确性影响显著，如推力矩数值小于实际数值或无法满足标准要求时，法兰泄露等问题发生的概率会随之升高。所以，在化学设备高温结构设计阶段，务必仔细检查结构参数，增强参数的准确性和科学性，使细节设计高度满足规范要求。

3.2 严格控制温度

化工设备高温结构法兰连接中，若温度在短时间内发生明显的变化，则法兰连接中也会产生较为剧烈的反应，此时，为有效减轻高温对化工设备高温结构产生的不利影响，应在连接部分设置隔热衬环，以防止温度骤变。若以奥氏体不锈钢为衬环板的主材，则必须严格控制化工设备高温结构的温度。奥氏体不锈钢容易出现热膨胀，且热膨胀体积较大，如法兰温度超标，则在设置隔热衬环和焊接施工中，易于产生焊缝剪切问题，隔热衬环板向外凸出，无法保证法兰连接的稳定性和安全性，也会影响化工设备高温结构法兰连接的紧密性。对此，法兰设计人员务必高度重视温度对化工设备高温结构的影响，连接温度不得超过300℃，以此改进法兰连接的紧密性。

此外，若想有效控制温度，则必须合理应用活套法兰，使用活套法兰还可以有效抵御热循环及热冲击的不利影响。与普通法兰相比，活法兰厚度较大，其刚度优势更为明显，采取有效措施降削弱兰及法兰螺栓的张力可降低其挠度。活套法兰广泛应用在管道中，如将活套法兰应用在大直径设备中，则需投入较高的成本。

或者也可在螺栓上增设弹性垫圈，应用弹性垫圈可以显著降低热膨胀对化工设备运行性能的负面影响，但是，垫片体积刚度也会对设备产生明显的影响，弹性垫圈能够承受的预紧力也十分有限。高温环境下应用弹性垫圈容易在回火时削弱垫圈的弹性。工作人员需结合实际科学，选择化工设备高温结构中的垫片材料。

3.3 螺栓上部设置弹性垫圈

在螺栓上要求人员根据设备概况增设弹性垫圈，该结构的作用与套筒作用基本相同，其可减轻热膨胀对化工设备的不利影响，但是，套筒刚度要明显大于弹性垫圈的刚度。弹性垫圈无法承受较大的密封预紧力，受到压力影响后容易发生形变。且弹性垫圈通常不适用于高温环境，如出现回火问题，则垫圈可以在短时间内失去弹性。

3.4 合理选择垫片材料

设计中，也应关注工程中容易出现的问题，如高温管路对末端管法兰的推力矩超出正常范围，则会引发法兰泄露等问题，设计人员要在设计前与配管专业人员积极沟通与配合，及时确认参数的数值。管道生产作业及管路改造的过程中，需向制造厂提示管法兰的允许推力矩值。

3.5 注重化工设备高温结构安全检验

化工设备高温结构的可靠性直接关系到工艺的科学性与完整性。因此，在日常工作中，设备操作及维护人员要对化工设备高温结构开展定期检验和检测，第一时间发现化工设备高温结构运行过程中所产生的安全隐患，加强化工设备高温结构工艺的科学性与可靠性。

3.6 做好对于化工设备高温结构的安全检验

化工设备高温结构设计时，为增强结构的合理性，确保工艺技术的有效落实，就需要对材料、构成部分等进行详细细致的验收检查和分析，使其符合化工设备高温作业的要求，减少生产过程中安全隐患的出现。另外，在化工设备高温结构设计中，还需做到经验和教训的积累与分析，做好数据收集、整理及分析，以改善设计效果，发挥化工设备的性能。对于旧设备，应提取其中优势结合先进技术和材料，完成改造和创新。

设计完成后，需开展安全检验工作，准确记录设备运行中存在的问题，对高温结构进行调整和完善，并保留原始数据作为参考。

4 结语

综合以上分析可知，化工设备高温结构设计中，设计人员需准确掌握设计的重难点问题，显著改善结构设计质量。当前，在化工设备高温结构设计中，结构使用过程中弹性明显下降问题和高温结构变形或蠕变问题是较为棘手的难题，要求人员在设计中采取多种措施解决上述问题，注重化工设备的安全检验，以此提升结构设计水平，减少损失的形成。