化工高溫設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、化工高溫設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計化工高溫設(shè)備與安全生產(chǎn)息息相關(guān)，尤其是其中的高溫結(jié)構(gòu)，在 設(shè)備的安全性和使用壽命兩方面都起著決定性作用。本文將針對化工 高溫設(shè)備的特點對其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和理念進(jìn)行探討，并分析其存在的 問題。化工產(chǎn)業(yè)經(jīng)常會用到化工高溫設(shè)備，設(shè)備使用溫度也越來越高， 往往因為蠕變或變形、位置偏離、結(jié)構(gòu)彈性下降引起整體性能下降等 從而造成設(shè)備失效，引起嚴(yán)重的災(zāi)難事故。為了解決這些問題，本文 從設(shè)計環(huán)節(jié)入手，盡力在設(shè)計方案上消除這些問題?；じ邷卦O(shè)備的特點 高溫設(shè)備的運行溫度要比金屬材料本身的蠕變起始溫度高，設(shè)備 受溫度的影響極大，必須將其蠕變問題列入設(shè)計考慮。不同種類的鋼 材考慮蠕變的最低溫度不

2、同，碳素鋼為 300350C，普通低合金鋼為 400C，低合金鉻鉬鋼為450C，奧氏體不銹鋼為550C?；じ邷卦O(shè)備存在的問題2.1. 蠕變或變形問題化工設(shè)備在高溫環(huán)境下工作時，極可能出現(xiàn)蠕變和墊片、法蘭的 變形，會導(dǎo)致化工設(shè)備的損壞，因此盡可能減少或消除零件的蠕變和 變形是化工高溫設(shè)備的設(shè)計重點。在高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以采用增加隔熱襯環(huán)的方法來降低材 料的使用溫度，具體方法為將隔熱襯環(huán)安裝于墊片和法蘭的內(nèi)側(cè)對應(yīng) 位置。這種方法通過隔熱襯環(huán)能有效隔離熱量，降低螺栓、墊片、法 蘭這些零件的受熱作用，令其受熱溫度不至于過高，還可以減小眾多 零部件之間的溫差。當(dāng)然對設(shè)備整體隔熱襯里的方法也能有效地

3、降低 承壓殼體或元件的使用溫度，如高溫環(huán)境中常使用的帶隔熱襯里的冷 壁集氣管等。這些效果能使高溫設(shè)備的螺旋、墊片、法蘭等零件的蠕 變和變形大大減少或使零部件處于彈性變形的溫度范圍內(nèi)，進(jìn)而使化 工高溫設(shè)備獲得更高的整體性能和更長的使用壽命。2.2. 膨脹自由的問題因使用溫度較高，金屬材料熱膨脹非常大，尤其是高溫度常使用 Ni-Cr 奧氏體材料，其膨脹系數(shù)更大。故在熱膨脹方向應(yīng)采用讓其自由 膨脹的結(jié)構(gòu)，使材料的受拉（或壓）處于許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。常見有 管殼式換熱器中的膨脹節(jié)、高溫填料函結(jié)構(gòu)等。2.3. 偏離限定位置問題高溫運行的化工設(shè)備，其零件可能受高溫影響而偏離，一旦偏離 距離超過了負(fù)荷范圍，設(shè)

4、備的運行就會受到嚴(yán)重影響。為解決這一問 題，可在設(shè)計時最大限度的應(yīng)用套筒的特性，對螺旋、法蘭和密封墊 片的位置偏離能起到抑制作用。針對螺旋的位置偏離，可在設(shè)計時延 長螺旋長度，令其和套筒更好地結(jié)合，這樣一來令螺旋應(yīng)力更穩(wěn)定， 更不易偏離限定位置；針對法蘭的位置偏離，套筒可以增大對法蘭軸 的作用，令其向上的熱膨脹現(xiàn)象得到改善；針對密封墊片的位置偏 離，套筒則能起到保護(hù)作用，使其有效規(guī)避偏離超過負(fù)荷范圍的現(xiàn) 象。2.4. 結(jié)構(gòu)彈性下降問題 高溫會影響設(shè)備結(jié)構(gòu)的彈性，結(jié)構(gòu)彈性一旦下降，整個化工設(shè)備 的性能都會下降，因此，高溫設(shè)備設(shè)計時必須確保結(jié)構(gòu)彈性的問題。 應(yīng)對這一問題的設(shè)計方案也是通過設(shè)置彈性墊

5、圈來解決問題的，其效 果和前文提到的套筒大致相同。在螺旋的對應(yīng)位置設(shè)置彈性墊圈可以 對熱膨脹進(jìn)行吸收，對法蘭也能起到正面影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時一 定要針對作用力加強(qiáng)控制，防止作用力超標(biāo)將此結(jié)構(gòu)整個壓扁。化工高溫設(shè)備中易出問題零件的選擇 在高溫設(shè)備中，法蘭是關(guān)鍵零件之一，其在連接時通常使用透鏡 式金屬墊。當(dāng)高溫設(shè)備的溫度逐漸升高時，法蘭會由于自身的體積較 大而升溫緩慢，而較小的透鏡墊溫度則會迅速升高，由此產(chǎn)生的熱膨 脹受到法蘭的拘束會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，這熱應(yīng)力和墊片所受的預(yù) 緊應(yīng)力形成合成應(yīng)力，一旦合成應(yīng)力超過屈服極限，就可能引起應(yīng)力 的松弛和墊片殘余變形。相反，當(dāng)高溫設(shè)備的溫度逐漸降低時，金

6、屬 墊也比法蘭的冷卻速度更快，這時壓力不足，會發(fā)生泄露的現(xiàn)象。如 此升降溫反復(fù)發(fā)生，幾次之后的殘余變形積累會大大削減原本的壓緊 力，最后發(fā)生嚴(yán)重的泄漏現(xiàn)象。為了應(yīng)對這種狀況，在法蘭的設(shè)計上應(yīng)注意把其周向溫度控制在 一個相似的水平范圍內(nèi)，尤其是存在縱向隔板時，法蘭的高溫側(cè)要以 隔熱襯里或者水夾套進(jìn)行隔離。而墊片則要依據(jù)壓力、溫度等實際狀 況進(jìn)行選擇，以保證法蘭和筒體大致溫度保持一致。當(dāng)溫度大于500C時，需要選擇較厚的法蘭和大型的螺栓來保證運行的穩(wěn)定?；钐资椒?蘭可以解決高溫產(chǎn)熱沖擊問題與熱循環(huán)的載荷問題，由于其強(qiáng)度、厚 度、螺栓長度都比其他種類的法蘭要高，所以其對熱膨脹的吸收效果 很好，既能規(guī)

7、避螺栓拉力造成的偏轉(zhuǎn)，又能使螺栓不容易拉長，還能 消除管壁熱應(yīng)力對法蘭的影響，解決偏轉(zhuǎn)的問題?；じ邷卦O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計要點4.1. 參數(shù)設(shè)計化工高溫設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很高的復(fù)雜性，其中各項參數(shù)的設(shè) 計更是需要嚴(yán)格進(jìn)行，確保全部參數(shù)都精準(zhǔn)無誤、符合要求。舉例來 說，高溫管線的設(shè)計中推力矩的數(shù)值，這項參數(shù)即使只是出現(xiàn)一點點 錯誤都有可能導(dǎo)致包括法蘭泄漏在內(nèi)的多項問題，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性事 故。4.2. 整體補(bǔ)強(qiáng)化工高溫設(shè)備的制造材料以 Cr-Mo 鋼為主，而這種鋼材使用過多 會使壓力偏高造成安全隱患，這時就需要對設(shè)備整體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對高 溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體做法可以將殼體結(jié)構(gòu)和法蘭的零件進(jìn)行焊接使 其連接起來。4.3. 溫度控制 對長時間處于高溫狀態(tài)下的高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)來說，溫度控制是重中 之重。舉例來說，之前提到的法蘭隔熱襯環(huán)的設(shè)計，當(dāng)襯環(huán)以奧氏體 不銹鋼為材料時，由于其熱膨脹系數(shù)比低合金鋼和碳素鋼都要高，所 以一旦法蘭溫度超過300C，焊縫和隔熱襯環(huán)的設(shè)置都會出現(xiàn)焊縫受到 剪切的現(xiàn)象，這現(xiàn)象會導(dǎo)致襯環(huán)板大幅凸出，嚴(yán)重影響了法蘭的安全 性和穩(wěn)定性。因此，對化工高溫設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要嚴(yán)格控制空 度區(qū)間，一般情況下以3