化工設(shè)備設(shè)計(jì)中對(duì)高溫結(jié)構(gòu)的思考

劉川

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，化工設(shè)備的使用量在不斷增加，化工設(shè)備中的高溫結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多，這就對(duì)化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。簡(jiǎn)要分析和探討了高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè)問(wèn)題，以供化工設(shè)備的設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)備；高溫結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；法蘭連接

中圖分類號(hào)：TQ050.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.067

1 化工設(shè)備設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

縱觀當(dāng)前的化工設(shè)備設(shè)計(jì)，許多設(shè)計(jì)人員對(duì)高溫結(jié)構(gòu)的特殊性考慮不足，大都采用與其他常規(guī)設(shè)備結(jié)構(gòu)相同的設(shè)計(jì)方法，作用應(yīng)力的設(shè)計(jì)也是根據(jù)高溫壓力容器的持久強(qiáng)度和可能發(fā)生的蠕變極限來(lái)考慮、決定的，這就給結(jié)構(gòu)的使用埋下了安全隱患。在化工設(shè)備中，高溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮高溫材料的膨脹量、整體設(shè)備的膨脹量和局部結(jié)構(gòu)的膨脹量等因素。特別應(yīng)高度重視高溫結(jié)構(gòu)中管道法蘭的密封情況，防止設(shè)備在高溫高壓下發(fā)生泄漏。

在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中，設(shè)備與設(shè)備之間通常都是用管法蘭連接的，而結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、安裝工藝、使用的材料、裝配質(zhì)量等都將直接影響設(shè)備的使用安全和使用壽命。通常情況下，管法蘭的連接方式如圖1所示。由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在高溫狀態(tài)下工作，法蘭的工作溫度要比螺栓高，軸向拉伸變形比螺栓大，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生溫差應(yīng)力。這種溫差應(yīng)力與由壓力引起的拉伸應(yīng)力疊加會(huì)造成螺栓的屈服或蠕變。同時(shí)，在高溫作用下，筒壁溫度升高會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，引起法蘭偏轉(zhuǎn)，增加螺栓負(fù)荷。螺栓拉長(zhǎng)和法蘭變形會(huì)降低結(jié)構(gòu)墊片的拉緊力，在容器內(nèi)部壓力的作用下發(fā)生泄漏。另外，當(dāng)法蘭連接承載的壓力由低到高時(shí)，墊片承載的壓力也隨之減小。但是，當(dāng)法蘭的溫度高于螺栓的溫度時(shí)，墊片承載的壓力會(huì)隨之增大，而當(dāng)設(shè)備殼體溫高于法蘭的溫度時(shí)，墊片的負(fù)荷會(huì)隨之減小。當(dāng)墊片的載荷小于密封所需的載荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生泄漏事故。

為了防止泄漏事故的發(fā)生，隨著設(shè)備殼體和法蘭溫差的不斷加大，要不斷加大墊片的壓力。在設(shè)備正常工作時(shí)，墊片的變形與載荷處于平衡狀態(tài)，但是，當(dāng)設(shè)備停止工作時(shí)，溫度降低，壓力減小，平衡被打破。由于墊片、法蘭和螺栓不斷承受載荷的變化，容易引起疲勞變形，導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生。而在預(yù)緊螺栓時(shí)，所加的載荷也是不均勻的，在高溫作用下，法蘭和墊片會(huì)出現(xiàn)局部受熱變形的情況。當(dāng)局部的載荷小于密封所需載荷時(shí)，法蘭連接無(wú)法承受設(shè)備內(nèi)部壓力，就會(huì)產(chǎn)生泄漏。

在化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)中，法蘭連接通常采用的是透鏡式金屬墊片。而當(dāng)工作溫度升高時(shí)，由于材質(zhì)和體積的原因，透鏡式墊片升溫快，法蘭升溫慢，透鏡墊片的受熱膨脹受到法蘭的約束會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力與墊片預(yù)緊時(shí)所受應(yīng)力疊加就會(huì)形成合應(yīng)力。在合應(yīng)力的作用下，墊片會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛和墊片殘余變形的情況。在降溫時(shí)，墊片降溫比法蘭快，形成壓力不足。如此循環(huán)往復(fù)，累積的殘余變形就會(huì)導(dǎo)致接口部的壓力越來(lái)越小，最后致使密封失效發(fā)生泄漏。

2 防止泄漏事故發(fā)生的措施

為了確保化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)在高溫高壓環(huán)境中正常工作，不存在安全隱患，不發(fā)生泄漏事故，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手。

2.1 控制溫度

為了避免法蘭周向上產(chǎn)生溫差，特別是在有縱向隔板時(shí)，在高溫側(cè)要裝置隔熱襯里和裝置水夾套，控制周向溫差。在墊片與法蘭內(nèi)側(cè)設(shè)置隔熱襯環(huán)，降低墊片與法蘭的溫度和它們之間的溫差，避免螺栓產(chǎn)生屈服和蠕變以及法蘭產(chǎn)生變形。同時(shí)，要根據(jù)溫度和壓力的具體情況選擇墊片，控制法蘭與筒體之間的溫差。通常情況下，工作溫度不應(yīng)超過(guò)300 ℃，當(dāng)工作溫度超過(guò)500 ℃時(shí)，應(yīng)選擇厚材料接管法蘭，使用大螺栓。當(dāng)接口口徑較大時(shí)，要采取對(duì)焊連接。

2.2 使用活套連接

相對(duì)于其他法蘭來(lái)說(shuō)，活套連接的強(qiáng)度和厚度都具有抗熱優(yōu)勢(shì)，而且采用長(zhǎng)螺栓可以更好地吸收熱膨脹，而且不易出現(xiàn)螺栓應(yīng)力超過(guò)屈服極限的情況，還能更好地抵抗熱循環(huán)和熱沖擊?；钐走B接有剛性大的優(yōu)勢(shì)，它可以減少法蘭由于螺栓拉力而發(fā)生的偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，因?yàn)榉ㄌm與管壁是非剛性連接的，所以，要避免法蘭因管壁熱應(yīng)力傳遞引起的偏轉(zhuǎn)?；钐走B接力臂短、螺栓受力小可以減少螺栓的拉長(zhǎng)。為了降低成本，一般在管道上使用螺栓法蘭，在其他大直徑設(shè)備上則選用活套法蘭。

2.3 增加彈性墊圈

在螺栓上加彈性墊圈，其作用與活套法蘭連接類似，能吸收熱膨脹。但是，溫度不宜過(guò)高、壓力不宜過(guò)大，否則容易在高溫下回火失去彈性，在螺栓的預(yù)緊壓力下被壓平而失去彈性。

另外，還應(yīng)考慮高溫管線在端點(diǎn)對(duì)管道法蘭的推力矩，推力矩過(guò)大可能造成法蘭泄漏?；ぴO(shè)備高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的Cr—Mo鋼比較多，這樣容易導(dǎo)致壓力過(guò)高，存在不安全因素。因此，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)，消除壓力過(guò)高帶來(lái)的安全隱患。

3 結(jié)束語(yǔ)

高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是化工設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要組成部分，而我國(guó)對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)并沒(méi)有給出相關(guān)規(guī)定或規(guī)范。在化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常采用與其他常規(guī)設(shè)備結(jié)構(gòu)相同的設(shè)計(jì)方法。如果不能充分掌握高溫結(jié)構(gòu)的特殊性，在設(shè)計(jì)中考慮不周全、設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，就會(huì)給化工設(shè)備的工作運(yùn)行埋下安全隱患，甚至?xí)l(fā)重大的安全事故。因此，要高度重視相關(guān)工作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分了解整個(gè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，努力尋找解決問(wèn)題的辦法和措施，優(yōu)化高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確?；ぴO(shè)備的安全運(yùn)行。

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〔編輯：白潔〕