化工高温设备的结构设计

摘 要：化工高温设备与安全生产息息相关,尤其是其中的高温结构,在设备的安全性和使用寿命两方面都起着决定性作用.本文将针对化工高温设备的特点对其结构设计方案和理念进行探讨,并分析其存在的问题.

关 键 词：化工设备；高温设备；结构设计

化工产业经常会用到化工高温设备,设备使用温度也越来越高,往往因为蠕变或变形、位置偏离、结构弹性下降引起整体性能下降等,从而造成设备失效,引起严重的灾难事故.为了解决这些问题,本文从设计环节入手,尽力在设计方案上消除这些问题.

1.化工高温设备的特点

高温设备的运行温度要比金属材料本身的蠕变起始温度高,设备受温度的影响极大,必须将其蠕变问题列入设计考虑.不同种类的钢材考虑蠕变的最低温度不同,碳素钢为300～350℃,普通低合金钢为400℃,低合金铬钼钢为450℃,奥氏体不锈钢为550℃.

2.化工高温设备存在的问题

2.1.蠕变或变形问题

化工设备在高温环境下工作时,极可能出现蠕变和垫片、法兰的变形,会导致化工设备的损坏,因此尽可能减少或消除零件的蠕变和变形是化工高温设备的设计重点.

在高温设备结构设计中,可以采用增加隔热衬环的方法来降低材料的使用温度,具体方法为将隔热衬环安装于垫片和法兰的内侧对应位置.这种方法通过隔热衬环能有效隔离热量,降低螺栓、垫片、法兰这些零件的受热作用,令其受热温度不至于过高,还可以减小众多零部件之间的温差.当然对设备整体隔热衬里的方法也能有效地降低承压壳体或元件的使用温度,如高温环境中常使用的带隔热衬里的冷壁集气管等.这些效果能使高温设备的螺旋、垫片、法兰等零件的蠕变和变形大大减少或使零部件处于弹性变形的温度范围内,进而使化工高温设备获得更高的整体性能和更长的使用寿命.

2.2.膨胀自由的问题

因使用温度较高,金属材料热膨胀非常大,尤其是高温度常使用Ni-Cr奥氏体材料,其膨胀系数更大.故在热膨胀方向应采用让其自由膨胀的结构,使材料的受拉（或压）处于许用应力范围之内.常见有管壳式换热器中的膨胀节、高温填料函结构等.

2.3.偏离限定位置问题

高温运行的化工设备,其零件可能受高温影响而偏离,一旦偏离距离超过了负荷范围,设备的运行就会受到严重影响.为解决这一问题,可在设计时最大限度的应用套筒的特性,对螺旋、法兰和密封垫片的位置偏离能起到抑制作用.针对螺旋的位置偏离,可在设计时延长螺旋长度,令其和套筒更好地结合,这样一来令螺旋应力更稳定,更不易偏离限定位置；针对法兰的位置偏离,套筒可以增大对法兰轴的作用,令其向上的热膨胀现象得到改善；针对密封垫片的位置偏离,套筒则能起到保护作用,使其有效规避偏离超过负荷范围的现象.

2.4.结构弹性下降问题

高温会影响设备结构的弹性,结构弹性一旦下降,整个化工设备的性能都会下降,因此,高温设备设计时必须确保结构弹性的问题.应对这一问题的设计方案也是通过设置弹性垫圈来解决问题的,其效果和前文提到的套筒大致相同.在螺旋的对应位置设置弹性垫圈可以对热膨胀进行吸收,对法兰也能起到正面影响.在进行结构设计时一定要针对作用力加强控制,防止作用力超标将此结构整个压扁.

3.化工高温设备中易出问题零件的选择

在高温设备中,法兰是关键零件之一,其在连接时通常使用透镜式金属垫.当高温设备的温度逐渐升高时,法兰会由于自身的体积较大而升温缓慢,而较小的透镜垫温度则会迅速升高,由此产生的热膨胀受到法兰的拘束会产生相当大的热应力,这热应力和垫片所受的预紧应力形成合成应力,一旦合成应力超过屈服极限,就可能引起应力的松弛和垫片残余变形.相反,当高温设备的温度逐渐降低时,金属垫也比法兰的冷却速度更快,这时压力不足,会发生泄露的现象.如此升降温反复发生,几次之后的残余变形积累会大大削减原本的压紧力,最后发生严重的泄漏现象.

为了应对这种状况,在法兰的设计上应注意把其周向温度控制在一个相似的水平范围内,尤其是存在纵向隔板时,法兰的高温侧要以隔热衬里或者水夹套进行隔离.而垫片则要依据压力、温度等实际状况进行选择,以保证法兰和筒体大致温度保持一致.当温度大于500℃时,需要选择较厚的法兰和大型的螺栓来保证运行的稳定.活套式法兰可以解决高温产热冲击问题与热循环的载荷问题,由于其强度、厚度、螺栓长度都比其他种类的法兰要高,所以其对热膨胀的吸收效果很好,既能规避螺栓拉力造成的偏转,又能使螺栓不容易拉长,还能消除管壁热应力对法兰的影响,解决偏转的问题.

4.化工高温设备结构设计要点

4.1.参数设计

化工高温设备的结构设计具有很高的复杂性,其中各项参数的设计更是需要严格进行,确保全部参数都精准无误、符合要求.举例来说,高温管线的设计中推力矩的数值,这项参数即使只是出现一点点错误都有可能导致包括法兰泄漏在内的多项问题,进而引发灾难性事故.

4.2.整体补强

化工高温设备的制造材料以Cr-Mo钢为主,而这种钢材使用过多会使压力偏高造成安全隐患,这时就需要对设备整体进行补强,对高温结构进行优化.具体做法可以将壳体结构和法兰的零件进行焊接使其连接起来.

4.3.温度控制

对长时间处于高温状态下的高温设备结构来说,温度控制是重中之重.举例来说,之前提到的法兰隔热衬环的设计,当衬环以奥氏体不锈钢为材料时,由于其热膨胀系数比低合金钢和碳素钢都要高,所以一旦法兰温度超过300℃,焊缝和隔热衬环的设置都会出现焊缝受到剪切的现象,这现象会导致衬环板大幅凸出,严重影响了法兰的安全性和稳定性.因此,对化工高温设备进行结构设计时,要严格控制空度区间,一般情况下以300℃为上限.

5.结语

化工高温设备的安全性是化工企业整体安全的重要保障,因此其结构的设计必须严格谨慎,不放过任何一个细小的问题.运用新技术、新构思对问题加以解决,优化设备结构,如此方能设计出安全优秀的化工高温设备,令我国的化工产业稳步向前发展.