化工高溫設備的結構設計

 化工高溫設備與安全生產息息相關，尤其是其中的高溫結構，在設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備的特點對其結構設計方案和理念進行探討，并分析其存在的問題。
    化工產業經常會用到化工高溫設備，設備使用溫度也越來越高，往往因為蠕變或變形、位置偏離、結構彈性下降引起整體性能下降等,從而造成設備失效，引起嚴重的災難事故。為了解決這些問題，本文從設計環節入手，盡力在設計方案上消除這些問題。
    化工高溫設備的特點
    高溫設備的運行溫度要比金屬材料本身的蠕變起始溫度高，設備受溫度的影響極大，必須將其蠕變問題列入設計考慮。不同種類的鋼材考慮蠕變的最低溫度不同，碳素鋼為300~350℃，普通低合金鋼為400℃，低合金鉻鉬鋼為450℃，奧氏體不銹鋼為550℃。
    化工高溫設備存在的問題
    2.1.蠕變或變形問題
    化工設備在高溫環境下工作時，極可能出現蠕變和墊片、法蘭的變形，會導致化工設備的損壞，因此盡可能減少或消除零件的蠕變和變形是化工高溫設備的設計重點。
    在高溫設備結構設計中，可以采用增加隔熱襯環的方法來降低材料的使用溫度，具體方法為將隔熱襯環安裝于墊片和法蘭的內側對應位置。這種方法通過隔熱襯環能有效隔離熱量，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。當然對設備整體隔熱襯里的方法也能有效地降低承壓殼體或元件的使用溫度，如高溫環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，進而使化工高溫設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，其膨脹系數更大。故在熱膨脹方向應采用讓其自由膨脹的結構，使材料的受拉（或壓）處于許用應力范圍之內。常見有管殼式換熱器中的膨脹節、高溫填料函結構等。
    2.3.偏離限定位置問題
    高溫運行的化工設備，其零件可能受高溫影響而偏離，一旦偏離距離超過了負荷范圍，設備的運行就會受到嚴重影響。為解決這一問題，可在設計時最大限度的應用套筒的特性，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，可在設計時延長螺旋長度，令其和套筒更好地結合，這樣一來令螺旋應力更穩定，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象得到改善；針對密封墊片的位置偏離，套筒則能起到保護作用，使其有效規避偏離超過負荷范圍的現象。
    2.4.結構彈性下降問題
    高溫會影響設備結構的彈性，結構彈性一旦下降，整個化工設備的性能都會下降，因此，高溫設備設計時必須確保結構彈性的問題。應對這一問題的設計方案也是通過設置彈性墊圈來解決問題的，其效果和前文提到的套筒大致相同。在螺旋的對應位置設置彈性墊圈可以對熱膨脹進行吸收，對法蘭也能起到正面影響。在進行結構設計時一定要針對作用力加強控制，防止作用力超標將此結構整個壓扁。
    化工高溫設備中易出問題零件的選擇
    在高溫設備中，法蘭是關鍵零件之一，其在連接時通常使用透鏡式金屬墊。當高溫設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，由此產生的熱膨脹受到法蘭的拘束會產生相當大的熱應力，這熱應力和墊片所受的預緊應力形成合成應力，一旦合成應力超過屈服極限，就可能引起應力的松弛和墊片殘余變形。相反，當高溫設備的溫度逐漸降低時，金屬墊也比法蘭的冷卻速度更快，這時壓力不足，會發生泄露的現象。如此升降溫反復發生，幾次之后的殘余變形積累會大大削減原本的壓緊力，最后發生嚴重的泄漏現象。
    為了應對這種狀況，在法蘭的設計上應注意把其周向溫度控制在一個相似的水平范圍內，尤其是存在縱向隔板時，法蘭的高溫側要以隔熱襯里或者水夾套進行隔離。而墊片則要依據壓力、溫度等實際狀況進行選擇，以保證法蘭和筒體大致溫度保持一致。當溫度大于500℃時，需要選擇較厚的法蘭和大型的螺栓來保證運行的穩定。活套式法蘭可以解決高溫產熱沖擊問題與熱循環的載荷問題，由于其強度、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，既能規避螺栓拉力造成的偏轉，又能使螺栓不容易拉長，還能消除管壁熱應力對法蘭的影響，解決偏轉的問題。
    化工高溫設備結構設計要點
    4.1.參數設計
    化工高溫設備的結構設計具有很高的復雜性，其中各項參數的設計更是需要嚴格進行，確保全部參數都精準無誤、符合要求。舉例來說，高溫管線的設計中推力矩的數值，這項參數即使只是出現一點點錯誤都有可能導致包括法蘭泄漏在內的多項問題，進而引發災難性事故。
    4.2.整體補強
    化工高溫設備的制造材料以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，這時就需要對設備整體進行補強，對高溫結構進行優化。具體做法可以將殼體結構和法蘭的零件進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下的高溫設備結構來說，溫度控制是重中之重。舉例來說，之前提到的法蘭隔熱襯環的設計，當襯環以奧氏體不銹鋼為材料時，由于其熱膨脹系數比低合金鋼和碳素鋼都要高，所以一旦法蘭溫度超過300℃，焊縫和隔熱襯環的設置都會出現焊縫受到剪切的現象，這現象會導致襯環板大幅凸出，嚴重影響了法蘭的安全性和穩定性。因此，對化工高溫設備進行結構設計時，要嚴格控制空度區間，一般情況下以300℃為上限。

   化工高溫設備的安全性是化工企業整體安全的重要保障，因此其結構的設計必須嚴格謹慎，不放過任何一個細小的問題。運用新技術、新構思對問題加以解決，優化設備結構，如此方能設計出安全優秀的化工高溫設備，令我國的化工產業穩步向前發展。