化工设备中高温结构设计问题分析

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摘要 本文针对化工设备的设计而言，过去很多时候设计人员并没有将高温结构的设计单独提出来予以特殊考虑，而是与其它设备结构一样采取了同样的设计方法，对于化工设备膨胀量、高温材料膨胀量、局部结构膨胀量等方面考虑不足，给化工设备的安全稳定运行带来许多不利影响。为了解决传统设计缺陷，本文针对化工设备中高温结构的设计问题进行了论述。

关键词 化工设备；高温结构；设计

中图分类号TQ05 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）85-0057-02

从当前许多化工设备的设计来看，设计人员针对高温结构的特殊性予以考虑，设计采用的大都是与其它常规设备结构相同的设计方法，作用应力的选择也通常是根据高温压力容器的持久性强度以及可能发生的蠕变极限来决定，从而给结构使用带来了许多不安全因素。为此，作为设计人员，必须认真考虑化工设备膨胀量、高温材料膨胀量、局部结构膨胀量等内容，传统的接管法兰连接方法，防止其因高温失效而引发泄漏现象，并采取必要的优化结构措施，提高高温结构性能，从而达到高温结构设计的要求。

1 化工设备高温结构设计中法兰的选择

针对高温高压设备而言，通常法兰连接应用的是透镜式金属垫，在温度升高过程中，因法兰较大而温度提升较慢，而透镜垫的温度却迅速提升，热膨胀在法兰的约束下形成较大的热应力，并与垫片受到的预紧应力叠加在一起，当合成应力大于屈服限时，就会出现应力松弛以及垫片残余变形等现象；在温度降低过程中，因金属垫片的冷却速度快于法兰冷却速度，就会因压力小而产生泄漏问题。这样循环反复几次后，由于残余变形积累而让压紧力越发减少，导致最后发生泄漏。通常应该让法兰的周向上温度处于相似水平范围，特别是纵向隔板存在的情况下，需要在法兰高温侧安置水夹套或隔热衬里等。垫片的选择应根据压力和温度等情况决定，同时保持法兰与筒体间温度大体相同，避免泄露问题发生。如果温度超过500℃时，应用接管法兰要选择厚材料（材料强度会因高温而降低强度），且要配有较大螺栓，才能确保运行稳定。当接管口径较大时，应使用对焊连接方法。针对高温产热冲击和热循环载荷问题，应使用活套式法兰加以解决。该法兰较其它法兰来说，其强度和厚度都更胜一筹，且采用长螺栓，可更好吸收热膨胀，确保在螺栓应力范围内。其能够有效避免或降低螺栓拉力而造成的偏转问题。并且，因其力臂较短，螺栓受力较小，螺栓不易被拉长；还有，其与管壁间采用非刚性连接方式，因此管壁热应力不会影响法兰，避免偏转问题发生。通常管道上螺纹型法兰应用较多，当化工设备直径较大时，通常选择其它成本较低的法兰。

2 化工设备高温结构设计的优化措施

2.1 解决法兰、垫片和螺栓的受热状况

可以在法兰内侧以及垫片里面设置隔热衬环，从而起到使法兰、垫片和螺栓降低受热的作用，以此来优化改善高温结构设备。通过隔热衬环可以使高温结构的受热温度有效降低，此外还可以确保结构间的温差不会过大，有效避免法兰、垫片可能产生的变形问题和螺栓可能因高温受热而产生蠕变的问题。换而言之，通过隔热衬环的设置，可以最终达到避免高温设备烧毁、泄露等目的。

2.2 确保密封垫片在限定范围

可以将螺栓长度增加，通过套筒与螺栓相结合的方法，使其长度总和增加，达到补偿热应力的效果。此外，应用套筒还有一个优点，就是可以使法兰拥有相对较大的轴，从而使向上热膨胀发生位移，同时还能确保螺栓应力在规定范围内，有效地保护密封垫片，确保其控制在负荷范围以内。

2.3 有效增强高温结构弹性

可以对螺栓进行加弹性垫圈的设置。这种结构可以达到与套筒类似的效果，对法兰的热膨胀进行有效吸收。其结构相比套筒更小，所以无法承受住密封垫片所产生的较大的预紧力。如果作用力过大的情况时，其结构可能出现被压扁现象，所以，使用该结构的前提是确保温度不可过高、压力不可过大，满足规定条件下才能确保其发挥作用，有效增强高温结构的弹性。

3 化工设备高温结构优化应注意的问题

1）化工设备高温结构的优化措施有很多，具体设计时对于一些工程问题也要加以注意，主要指高温管线对于端点管法兰的推力矩数值，如果端点的推力矩数值超过规定范围，就可导致法兰泄漏问题发生。所以，具体设计时要在配管专业确认的基础上进行，实际生产过程中进行管子改造时，制造厂也要对管法兰的推力矩数值加以认真对待；

2）化工设备高温结构应用Cr-Mo钢较多，如果出现压力过高的问题，可进行整体补强，例如可以采用带径对焊法兰和壳体的连接结构，但进行焊接操作时，要注意不可完全焊透；3）实际生产时，化工设备装置在开车、停车期间，必须保证结构的升温、降温速率在规定值范围以内，不可超过规定值。开车过程中要注意先进行升温，再进行升压；而停车则要注意先进行降压，再进行降温，必须以此顺序操作。此外，进行螺栓预紧过程中，必须确保对称均匀后，再分级进行预紧；同时对于螺栓预紧扭力矩也要严加控制看管；4）法兰设置有隔热衬环时，如果其衬环板以奥氏体不锈钢为材料的情况下要加以注意，因为其相比碳素钢、低合金钢来说，其热胀系数要大30%～50%之间，法兰在高温工作的情况下，隔热衬环和焊缝会因温差应力而出现衬环板凸起现象以及焊缝受剪切问题，情况严重会对法兰的安全稳定性造成影响。因此，要求温度控制在300℃以内范围，如果超过300℃则应采用堆焊结构方法。

4 结论

由于我国对于压力容器设计并未出台相关的规定或规范，因此，在化工设备高温结构的设计过程中，采用的大都是与其它常规设备结构相同的设计方法，给结构使用带来了许多不安全因素。作为设计人员，必须全方位地考虑高温结构问题，优化法兰连接，最终实现高温结构的安全稳定运行。

参考文献

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