1、化工设备中高温结构设计问题研究摘要：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：TU318 文献标识码：A 高温化工设备是化工产业不可或缺的重要工具，随着化工行业的迅速发展，化工设备市场日益成熟，新型的高温化工设备层出不穷，但其质量问题令人担忧，在使用过程中螺旋、垫片、法兰等常出
2、现蠕变或变形问题、偏离限定位置问题、结构弹性下降问题等。高温结构设计是产生这些问题的重要环节，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。 一、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
3、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
4、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。 二、化工设备高温结构设计需注意的重要问题 （一） 、认真对待各项参数的设计 化工设备高温结构设计是一项艰巨且复杂的过程.设计人员需做到谨慎、仔细，尤其不能忽视一些重要的设计细节，不能忽视各项参数的设计。如在高温管线设计中，必须认真、仔细地设计相应的推力矩
5、数值，确保其准确无误，出现一丝的马虎，都有可能影响推力矩数值的准确度。当端点的推力矩数值错误或不符合相关的标准或要求，则可引发法兰泄漏等多种问题，影响化工设备的安全运行。因此，在化工设备高温结构设计时，必须认真对待各项参数的设计，确保各项参数准确无误，确保每一个细节都符合规定的要求。 （二） 、注重整体补强 在化工设备高温结构设计中，常需使用较多的 Cr-Mo 钢，而多 Cr-Mo钢的使用，极易导致过高的压力，影响化工设备的安全运行，对此，需注重整体补强，从整体上优化化工设备的高温结构，即选择焊接的方法，使壳体结构及法兰等处于连接状态，但需注意减少或避免完全焊透。 （三） 、注意温度的控制 温
6、度对化工设备产生重要的影响，在高温结构设计时，必须注意其温度的控制，确保其温度不超过规定的范围。如在法兰设计中，需要设置相应的隔热衬环，若其所选择的衬环板材料主要为奥氏体不锈钢，则需注意控制温度。与低合金钢材料或碳素钢材料相比，奥氏体不锈钢所具备的热胀系数相对比较大，此时法兰的温度过高(超过 300)，则在焊缝环节及隔热衬环设置环节中，极易出现焊缝受剪切问题，导致衬环板严重凸出，降低法兰的稳定性，影响和制约其安全运行。因此，在化工设备高温结构设计中，设计人员必须注意温度的控制，通常不超过 300。（四） 、运行过程中的温度和压力的控制 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
7、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。 三、化工设备高温结构设计的优化措施 （一） 、解决法兰、垫片和螺栓的受热状况 当化工设备处于高温受热状态时，其螺旋极易出现蠕变现象，而垫片、法兰等则极易出现变形现象，这些问题对化工设备影响较大，是导致化工设备损坏的重要原因，如何有效减少或防止螺旋、垫片、法兰等在高温状态下出现蠕变或变形现象，是化工设备高温结构设计的重点与难点。对此可以在法兰内侧以及垫片
8、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。 （二） 、偏离限定位置问题及应对措施 当化工设备处于高温状态时，其螺旋、密封垫片、法兰等容易受到影响，偏离于限定位置，超出限定的负荷范围内，影响和制约化工设备的运行。对此，在设计过程中，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
9、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。 （三） 、有效增强高温结构弹性 化工设备处于高温状态时，其结构弹性容易受到影响，制约化工设备的整体功能的发挥。对此，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。
10、总之，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。高温结构设计对化工设备有着重要的影响，是化工设备安全运行的重要保障，需给予高度重视。加强高温结构设计，注意分析高温结构设计中存在的多项问题，并致力于寻找解决问题的措施，不断优化化工设备的高温结构，可从整体上提高化工设备的性能。化工设备高温结构设计中需注意的问题不仅仅有以上几点，更多的是需要我们在实践工作中不断的探索、不断地前进。 参考文献 1 杨欢欢，李明光.化工设备设计中高温结构的分析J.城市建设理论研究，2012(18). 2 曹文辉.化工设备设计中对高温结构的考虑J.化工设备与管道，2008，45(3)：14-17. 3 古大田，等.废热锅炉M.北京：化学工业出版社，2002.
