劉 磊

（山西省化工設計院，山西 太原 030024）

引 言

高溫結構是化工設備中的重中之重，高溫結構設計對化工設備的安全運行起著重要的作用，這也是增加化工設備使用時間的關鍵點。隨著化學工業(yè)的快速發(fā)展，化學工業(yè)設備的市場逐漸擴大，涌現出越來越多的新發(fā)明的高溫化學工業(yè)設備，但新發(fā)明的這些高溫化工設備存在的質量問題令人堪憂。墊片、法蘭、螺旋等部件在使用過程中經常會出現變形問題，或者會發(fā)生蠕變變形，亦或是部件結構彈性的下降，而不良的高溫結構設計正是導致這些問題的癥結所在。所以，要解決高溫化學工藝設備所存在的問題，可以從設計階段或者分析高溫結構設計等方面存在的問題考慮［1－2］。

1 化工設備高溫結構設計存在的問題及解決措施

1.1 高溫結構彈性下降的問題與對策

處在高溫條件下的化工設備，其結構的彈性很敏感，容易被影響，化工設備的整體功能會受到結構彈性的限制。所以，在結構部件設計開始階段，可以設置對應的螺旋彈性墊圈。彈性墊圈的作用類似于套筒，可使化工設備結構彈性得到提高，同時也會影響法蘭，對于熱膨脹的不足可以有效吸收。與套筒相比較，彈性墊圈具有的結構較小。由于密封墊片的預緊力很強，所以密封墊片對于此類結構具有較大的約束力，難以承受很強的預緊力。在設計方面，應注意控制作用力所起的作用，如果作用力超過規(guī)定范圍，該結構有被壓扁的危險。因此，對于壓力和溫度的控制，是該結構設計的關鍵點，也是提高設備整體結構彈性的前提。

1.2 高溫結構所產生的變形或蠕變問題及對策

當化學工藝設備在高溫條件下運行時，螺旋容易發(fā)生蠕變現象。而法蘭、墊片等容易變形，對化工設備有著很大的影響，這也是高溫條件下化工設備易損壞的重要原因。因此，化工設備結構設計的重、難點就體現在采用何種方法能有效地減少或防止法蘭、墊圈、螺釘等在高溫條件下發(fā)生變形或蠕變。在設計過程中，將對應的隔熱襯環(huán)安置于法蘭或墊片內側，熱量可以被隔熱襯環(huán)有效分離，進一步對法蘭、墊圈和螺栓產生影響，使其受到的熱輻射明顯下降，改變其溫度，還可以有效地降低設備的結構各組成部分之間的溫度差，提高化學工藝設備的整體性能，減少或避免纏繞法蘭、墊片、螺旋在高溫條件下的蠕變或變形，延長化學工藝設備的使用時間。

2 化工設備高溫結構設計中的注意事項

2.1 嚴謹設置設計參數

工藝參數的設置在化工工藝生產中是非常必要的，只有這些基本參數正確，才能保證化工安全生產。設計化工設備的高溫結構是一項艱難過程，設計人員應認真、負責、謹慎，不能對設計細節(jié)有所忽視。因為任何差值都可能影響到推理值的精確性。如，推力矩數值與實際值有微小差別或不符合有關標準和要求時，就會引起如法蘭泄漏等許多問題，對化學工藝設備的安全運行產生不良影響。因此，在設計化學設備高溫結構時，必須對參數作進一步的檢查，以確保所有參數的準確，使得細節(jié)不會出現不符合規(guī)定的情況。

2.2 注意對溫度的控制

在法蘭設計中必須注意控制溫度，溫度的驟變有可能會引起劇烈反應，因此，應設置相應的隔熱襯環(huán)，使溫度轉變經歷更多的過程。如果選用奧氏體不銹鋼作為襯環(huán)板材料，則應注意控制溫度，奧氏體不銹鋼與低合金鋼或碳鋼材料相比較，奧氏體不銹鋼的熱脹系數會很大，此時如果法蘭的溫度過高（超過300℃），那么在隔熱襯環(huán)設置環(huán)節(jié)和焊接工藝中，就容易出現焊縫剪切的問題，導致襯環(huán)板凸出，使法蘭的穩(wěn)定性降低，影響安全運行。因此，在法蘭設計中，設計者必須注意溫度的控制，通常不超過300℃。

2.2.1 使用活套法蘭

活套法蘭，可以更好地抵抗熱循環(huán)和熱沖擊?；钐追ㄌm比一般正常的法蘭厚，而且活套法蘭剛度大，撓度可通過減少法蘭和法蘭螺栓張力而減少。由于管壁與法蘭采用的連接方式是非剛性連接，因此管壁熱應力不會轉移到法蘭，從而使得法蘭發(fā)生偏轉。短力臂和螺栓應力小等條件可以減少螺栓伸長。與此同時，由于法蘭厚度較大和法蘭螺栓長度較長的緣故，螺栓能吸收大量的熱膨脹，也不容易導致螺栓應力超過屈服極限。一般來說，在管道上可使用螺紋法蘭。而在大直徑的設備上需要使用其他形式的活套法蘭，否則成本太高。

2.2.2 螺栓上加彈性墊圈

在螺栓上增加彈性墊圈。此類結構與套筒所產生的作用相近似，能夠有效地減小熱膨脹對化工設備的影響。然而，由于套筒的剛度比彈性墊圈的剛度大得多，因此彈性墊圈無法承受太大的密封片預緊力，容易受到壓力而導致變平。彈性墊圈不適合在高溫高壓下使用。否則，在回火的情況下會失去彈性。

2.2.3 墊片材料的選擇

在設計中還應注意到實際工程中容易產生的問題。比如，高溫管路對于末端管法蘭所產生的推力矩的計算，末端推力矩過大容易導致法蘭泄漏，設計者應與配管專業(yè)合作并確認。在對管道進行生產作業(yè)和對管路進行改造時，對于管法蘭允許的推力矩數值應向制造廠進行提示。

3 對化工設備中高溫結構進行安全檢驗

化工設備中的高溫結構關系到整體工藝的完整性，作為一種工藝設備在其特殊的工作條件下會發(fā)生壓力較大或者溫度驟變等情況，而這些缺陷不僅會對整個工藝產生重要影響，而且會對工作人員造成不可避免的損失。因此，對于化工設備中高溫結構進行定期檢驗，可以減少不必要的損失，同時對整個工藝和工作人員的人身安全負責［3－4］。

4 結論

化工設備高溫結構的設計是保證化工設備安全運行的重要前提，要高度重視并加強對化工設備的高溫結構設計，注意分析高溫結構設計中所隱藏的諸多問題，并致力于尋找解決問題的方法和措施，同時對化工設備的結構進行不斷優(yōu)化。

［1］ 高創(chuàng).化工工藝的設備結構適應性設計探討［J］.科技風，2011（5）：260.

［2］ 劉淑敏，袁秀英.鎳及其在工業(yè)中的應用［J］.天津職業(yè)大學學報，2000（3）：24－27.

［3］ 顏炳發(fā).淺談化工工藝和設備安全性評價［J］.黑龍江科技信息，2011（17）：132，208.

［4］ 曹文輝.化工設備設計中對高溫結構的考慮［J］.化工設備與管道，2008，45（3）：14－17.