劉 磊

（山西省化工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030024）

引 言

高溫結(jié)構(gòu)是化工設(shè)備中的重中之重，高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)化工設(shè)備的安全運(yùn)行起著重要的作用，這也是增加化工設(shè)備使用時(shí)間的關(guān)鍵點(diǎn)。隨著化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，化學(xué)工業(yè)設(shè)備的市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，涌現(xiàn)出越來(lái)越多的新發(fā)明的高溫化學(xué)工業(yè)設(shè)備，但新發(fā)明的這些高溫化工設(shè)備存在的質(zhì)量問(wèn)題令人堪憂。墊片、法蘭、螺旋等部件在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變形問(wèn)題，或者會(huì)發(fā)生蠕變變形，亦或是部件結(jié)構(gòu)彈性的下降，而不良的高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正是導(dǎo)致這些問(wèn)題的癥結(jié)所在。所以，要解決高溫化學(xué)工藝設(shè)備所存在的問(wèn)題，可以從設(shè)計(jì)階段或者分析高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面存在的問(wèn)題考慮［1－2］。

1 化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及解決措施

1.1 高溫結(jié)構(gòu)彈性下降的問(wèn)題與對(duì)策

處在高溫條件下的化工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的彈性很敏感，容易被影響，化工設(shè)備的整體功能會(huì)受到結(jié)構(gòu)彈性的限制。所以，在結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)開(kāi)始階段，可以設(shè)置對(duì)應(yīng)的螺旋彈性墊圈。彈性墊圈的作用類似于套筒，可使化工設(shè)備結(jié)構(gòu)彈性得到提高，同時(shí)也會(huì)影響法蘭，對(duì)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(jié)構(gòu)較小。由于密封墊片的預(yù)緊力很強(qiáng)，所以密封墊片對(duì)于此類結(jié)構(gòu)具有較大的約束力，難以承受很強(qiáng)的預(yù)緊力。在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)注意控制作用力所起的作用，如果作用力超過(guò)規(guī)定范圍，該結(jié)構(gòu)有被壓扁的危險(xiǎn)。因此，對(duì)于壓力和溫度的控制，是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是提高設(shè)備整體結(jié)構(gòu)彈性的前提。

1.2 高溫結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形或蠕變問(wèn)題及對(duì)策

當(dāng)化學(xué)工藝設(shè)備在高溫條件下運(yùn)行時(shí)，螺旋容易發(fā)生蠕變現(xiàn)象。而法蘭、墊片等容易變形，對(duì)化工設(shè)備有著很大的影響，這也是高溫條件下化工設(shè)備易損壞的重要原因。因此，化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重、難點(diǎn)就體現(xiàn)在采用何種方法能有效地減少或防止法蘭、墊圈、螺釘?shù)仍诟邷貤l件下發(fā)生變形或蠕變。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將對(duì)應(yīng)的隔熱襯環(huán)安置于法蘭或墊片內(nèi)側(cè)，熱量可以被隔熱襯環(huán)有效分離，進(jìn)一步對(duì)法蘭、墊圈和螺栓產(chǎn)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(shè)備的結(jié)構(gòu)各組成部分之間的溫度差，提高化學(xué)工藝設(shè)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(zhǎng)化學(xué)工藝設(shè)備的使用時(shí)間。

2 化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

2.1 嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)

工藝參數(shù)的設(shè)置在化工工藝生產(chǎn)中是非常必要的，只有這些基本參數(shù)正確，才能保證化工安全生產(chǎn)。設(shè)計(jì)化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)艱難過(guò)程，設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真、負(fù)責(zé)、謹(jǐn)慎，不能對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)有所忽視。因?yàn)槿魏尾钪刀伎赡苡绊懙酵评碇档木_性。如，推力矩?cái)?shù)值與實(shí)際值有微小差別或不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求時(shí)，就會(huì)引起如法蘭泄漏等許多問(wèn)題，對(duì)化學(xué)工藝設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。因此，在設(shè)計(jì)化學(xué)設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)時(shí)，必須對(duì)參數(shù)作進(jìn)一步的檢查，以確保所有參數(shù)的準(zhǔn)確，使得細(xì)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)不符合規(guī)定的情況。

2.2 注意對(duì)溫度的控制

在法蘭設(shè)計(jì)中必須注意控制溫度，溫度的驟變有可能會(huì)引起劇烈反應(yīng)，因此，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的隔熱襯環(huán)，使溫度轉(zhuǎn)變經(jīng)歷更多的過(guò)程。如果選用奧氏體不銹鋼作為襯環(huán)板材料，則應(yīng)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(shù)會(huì)很大，此時(shí)如果法蘭的溫度過(guò)高（超過(guò)300℃），那么在隔熱襯環(huán)設(shè)置環(huán)節(jié)和焊接工藝中，就容易出現(xiàn)焊縫剪切的問(wèn)題，導(dǎo)致襯環(huán)板凸出，使法蘭的穩(wěn)定性降低，影響安全運(yùn)行。因此，在法蘭設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者必須注意溫度的控制，通常不超過(guò)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。活套法蘭比一般正常的法蘭厚，而且活套法蘭剛度大，撓度可通過(guò)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(yīng)力不會(huì)轉(zhuǎn)移到法蘭，從而使得法蘭發(fā)生偏轉(zhuǎn)。短力臂和螺栓應(yīng)力小等條件可以減少螺栓伸長(zhǎng)。與此同時(shí)，由于法蘭厚度較大和法蘭螺栓長(zhǎng)度較長(zhǎng)的緣故，螺栓能吸收大量的熱膨脹，也不容易導(dǎo)致螺栓應(yīng)力超過(guò)屈服極限。一般來(lái)說(shuō)，在管道上可使用螺紋法蘭。而在大直徑的設(shè)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(jié)構(gòu)與套筒所產(chǎn)生的作用相近似，能夠有效地減小熱膨脹對(duì)化工設(shè)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(wú)法承受太大的密封片預(yù)緊力，容易受到壓力而導(dǎo)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(huì)失去彈性。

2.2.3 墊片材料的選擇

在設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意到實(shí)際工程中容易產(chǎn)生的問(wèn)題。比如，高溫管路對(duì)于末端管法蘭所產(chǎn)生的推力矩的計(jì)算，末端推力矩過(guò)大容易導(dǎo)致法蘭泄漏，設(shè)計(jì)者應(yīng)與配管專業(yè)合作并確認(rèn)。在對(duì)管道進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)和對(duì)管路進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)于管法蘭允許的推力矩?cái)?shù)值應(yīng)向制造廠進(jìn)行提示。

3 對(duì)化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢驗(yàn)

化工設(shè)備中的高溫結(jié)構(gòu)關(guān)系到整體工藝的完整性，作為一種工藝設(shè)備在其特殊的工作條件下會(huì)發(fā)生壓力較大或者溫度驟變等情況，而這些缺陷不僅會(huì)對(duì)整個(gè)工藝產(chǎn)生重要影響，而且會(huì)對(duì)工作人員造成不可避免的損失。因此，對(duì)于化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢驗(yàn)，可以減少不必要的損失，同時(shí)對(duì)整個(gè)工藝和工作人員的人身安全負(fù)責(zé)［3－4］。

4 結(jié)論

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是保證化工設(shè)備安全運(yùn)行的重要前提，要高度重視并加強(qiáng)對(duì)化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，注意分析高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所隱藏的諸多問(wèn)題，并致力于尋找解決問(wèn)題的方法和措施，同時(shí)對(duì)化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化。

［1］ 高創(chuàng).化工工藝的設(shè)備結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)探討［J］.科技風(fēng)，2011（5）：260.

［2］ 劉淑敏，袁秀英.鎳及其在工業(yè)中的應(yīng)用［J］.天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（3）：24－27.

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

［4］ 曹文輝.化工設(shè)備設(shè)計(jì)中對(duì)高溫結(jié)構(gòu)的考慮［J］.化工設(shè)備與管道，2008，45（3）：14－17.