化工設(shè)備設(shè)計(jì)中對高溫結(jié)構(gòu)的分析

馬志富

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132001）

化工設(shè)備與其他設(shè)備存在較大的差異，設(shè)計(jì)中需全方位考量設(shè)備的耐高溫性能。如今，化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)特點(diǎn)和高溫反應(yīng)等多種因素的影響，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)較多，工作人員要準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題，確?；ぴO(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 化工設(shè)備中高溫結(jié)構(gòu)選用

化工設(shè)備的高溫、高壓器材中，透鏡式金屬墊經(jīng)常被用作連接法蘭。高溫高環(huán)境中，大面積法蘭的影響顯著，透鏡電升溫較為遲緩，引發(fā)了墊片松弛和變形問題，且溫度下降時(shí)，法蘭的冷卻速度較慢。低壓環(huán)境中，泄露情況較為常見。對此，需采取切實(shí)有效的應(yīng)對措施確保法蘭溫度略高于周邊溫度或與周邊溫度持平。在選擇墊片時(shí)，要綜合壓力和溫度等多種因素，使筒體與法蘭溫度基本相同，規(guī)避泄露問題，如溫度為500℃以上，則可使用大螺栓，并結(jié)合實(shí)際確定用于連接法蘭的材料厚度。上述措施有利于維護(hù)設(shè)備運(yùn)行的安全性。如接管口直徑相對較大，則可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行要求科學(xué)選擇焊接方法。

2 化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

化工設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境本就復(fù)雜，高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)也相對較多，如果不能保證設(shè)計(jì)的有效性，設(shè)備運(yùn)行故障問題也會逐漸增多，進(jìn)而阻礙化工生產(chǎn)的順利進(jìn)行。通過對近幾年化工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分析，企業(yè)對高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有了新的要求，現(xiàn)將存在的設(shè)計(jì)難點(diǎn)概括如下。

2.1 設(shè)備使用中彈性減弱

高溫環(huán)境對化工設(shè)備的使用性能影響顯著，化工設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)彈性敏感度較高，外部因素極易干擾高溫結(jié)構(gòu)的性能?；どa(chǎn)和化工設(shè)備運(yùn)行中，高溫環(huán)境會降低化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的彈性。

對此，要在化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)初期設(shè)置螺旋彈性墊圈，以減輕高溫變形因素的負(fù)面影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)置的高溫墊圈在作用和功能上與套筒相似。工作人員可采取有效措施改變高溫結(jié)構(gòu)部分的彈性變形系數(shù)，以加強(qiáng)化工設(shè)備結(jié)構(gòu)彈性，其對法蘭也會產(chǎn)生較大影響，充分吸收熱膨脹部分，減輕化工設(shè)備因材料膨脹對化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)面影響。

彈性墊圈與套筒的作用相似度較高，但是，與套筒相比，彈性墊圈的體積較小，若利用密封墊片，則能夠獲得較大的預(yù)緊力。在設(shè)計(jì)化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)時(shí)，也以可嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)承受的作用力范圍，防止作用力過大而出現(xiàn)高溫結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，以提高化工設(shè)備結(jié)構(gòu)彈性為重點(diǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)變形及蠕變

化工設(shè)備高溫運(yùn)行時(shí)，高溫因素容易使螺旋連接出現(xiàn)蠕變問題，且溫度過高也會導(dǎo)致高溫結(jié)構(gòu)部分法蘭和墊片等構(gòu)件出現(xiàn)變形，進(jìn)而降低化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)連接的密封性和牢固性，化工結(jié)構(gòu)出現(xiàn)運(yùn)行異常的概率明顯升高。

在化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)正確處理化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)中法蘭、墊圈和螺釘在高溫環(huán)境下產(chǎn)生單位變形和蠕變問題。為妥善解決上述問題，設(shè)計(jì)人員需在隔熱襯環(huán)或墊片內(nèi)側(cè)設(shè)置隔熱襯環(huán)，有效隔離高溫運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量，防止化工設(shè)備運(yùn)行中的高溫環(huán)境破壞法蘭、墊圈和螺栓的性能。

另外，利用隔熱襯環(huán)也以可嚴(yán)格把控設(shè)備結(jié)構(gòu)多個(gè)組成構(gòu)件的溫度差，完善化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的性能。利用隔熱環(huán)襯可以有效減輕法蘭、墊圈及螺栓的熱輻射效應(yīng)，完善化工設(shè)備在高溫條件下的運(yùn)行性能。再者，隔熱環(huán)襯能夠嚴(yán)格把控設(shè)備構(gòu)件間的溫度差，優(yōu)化化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)性能，規(guī)避蠕變和變形問題，延長化工設(shè)備的使用壽命。

3 化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意的問題

為提高化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，應(yīng)針對尚存問題和難點(diǎn)，加大分析力度，參照化工生產(chǎn)的具體要求，有針對性地開展設(shè)計(jì)活動(dòng)，以維護(hù)化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全性，規(guī)避生產(chǎn)中故障或危險(xiǎn)的發(fā)生。鑒于此，在化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要注意的重點(diǎn)內(nèi)容如下。

3.1 科學(xué)設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)

化工工藝生產(chǎn)中，科學(xué)設(shè)置工藝參數(shù)尤為關(guān)鍵，這也是保障化工生產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)?；ぴO(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)雜性較強(qiáng)，設(shè)計(jì)難度較大。設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)中始終秉承認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，高度重視設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)中的失誤對預(yù)設(shè)值的準(zhǔn)確性影響顯著，如推力矩?cái)?shù)值小于實(shí)際數(shù)值或無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，法蘭泄露等問題發(fā)生的概率會隨之升高。所以，在化學(xué)設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，務(wù)必仔細(xì)檢查結(jié)構(gòu)參數(shù)，增強(qiáng)參數(shù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，使細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)高度滿足規(guī)范要求。

3.2 嚴(yán)格控制溫度

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)法蘭連接中，若溫度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯的變化，則法蘭連接中也會產(chǎn)生較為劇烈的反應(yīng)，此時(shí)，為有效減輕高溫對化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)在連接部分設(shè)置隔熱襯環(huán)，以防止溫度驟變。若以奧氏體不銹鋼為襯環(huán)板的主材，則必須嚴(yán)格控制化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的溫度。奧氏體不銹鋼容易出現(xiàn)熱膨脹，且熱膨脹體積較大，如法蘭溫度超標(biāo)，則在設(shè)置隔熱襯環(huán)和焊接施工中，易于產(chǎn)生焊縫剪切問題，隔熱襯環(huán)板向外凸出，無法保證法蘭連接的穩(wěn)定性和安全性，也會影響化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)法蘭連接的緊密性。對此，法蘭設(shè)計(jì)人員務(wù)必高度重視溫度對化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的影響，連接溫度不得超過300℃，以此改進(jìn)法蘭連接的緊密性。

此外，若想有效控制溫度，則必須合理應(yīng)用活套法蘭，使用活套法蘭還可以有效抵御熱循環(huán)及熱沖擊的不利影響。與普通法蘭相比，活法蘭厚度較大，其剛度優(yōu)勢更為明顯，采取有效措施降削弱蘭及法蘭螺栓的張力可降低其撓度?；钐追ㄌm廣泛應(yīng)用在管道中，如將活套法蘭應(yīng)用在大直徑設(shè)備中，則需投入較高的成本。

或者也可在螺栓上增設(shè)彈性墊圈，應(yīng)用彈性墊圈可以顯著降低熱膨脹對化工設(shè)備運(yùn)行性能的負(fù)面影響，但是，墊片體積剛度也會對設(shè)備產(chǎn)生明顯的影響，彈性墊圈能夠承受的預(yù)緊力也十分有限。高溫環(huán)境下應(yīng)用彈性墊圈容易在回火時(shí)削弱墊圈的彈性。工作人員需結(jié)合實(shí)際科學(xué)，選擇化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)中的墊片材料。

3.3 螺栓上部設(shè)置彈性墊圈

在螺栓上要求人員根據(jù)設(shè)備概況增設(shè)彈性墊圈，該結(jié)構(gòu)的作用與套筒作用基本相同，其可減輕熱膨脹對化工設(shè)備的不利影響，但是，套筒剛度要明顯大于彈性墊圈的剛度。彈性墊圈無法承受較大的密封預(yù)緊力，受到壓力影響后容易發(fā)生形變。且彈性墊圈通常不適用于高溫環(huán)境，如出現(xiàn)回火問題，則墊圈可以在短時(shí)間內(nèi)失去彈性。

3.4 合理選擇墊片材料

設(shè)計(jì)中，也應(yīng)關(guān)注工程中容易出現(xiàn)的問題，如高溫管路對末端管法蘭的推力矩超出正常范圍，則會引發(fā)法蘭泄露等問題，設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)前與配管專業(yè)人員積極溝通與配合，及時(shí)確認(rèn)參數(shù)的數(shù)值。管道生產(chǎn)作業(yè)及管路改造的過程中，需向制造廠提示管法蘭的允許推力矩值。

3.5 注重化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)安全檢驗(yàn)

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的可靠性直接關(guān)系到工藝的科學(xué)性與完整性。因此，在日常工作中，設(shè)備操作及維護(hù)人員要對化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)開展定期檢驗(yàn)和檢測，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的安全隱患，加強(qiáng)化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)工藝的科學(xué)性與可靠性。

3.6 做好對于化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)的安全檢驗(yàn)

化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的合理性，確保工藝技術(shù)的有效落實(shí)，就需要對材料、構(gòu)成部分等進(jìn)行詳細(xì)細(xì)致的驗(yàn)收檢查和分析，使其符合化工設(shè)備高溫作業(yè)的要求，減少生產(chǎn)過程中安全隱患的出現(xiàn)。另外，在化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還需做到經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的積累與分析，做好數(shù)據(jù)收集、整理及分析，以改善設(shè)計(jì)效果，發(fā)揮化工設(shè)備的性能。對于舊設(shè)備，應(yīng)提取其中優(yōu)勢結(jié)合先進(jìn)技術(shù)和材料，完成改造和創(chuàng)新。

設(shè)計(jì)完成后，需開展安全檢驗(yàn)工作，準(zhǔn)確記錄設(shè)備運(yùn)行中存在的問題，對高溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和完善，并保留原始數(shù)據(jù)作為參考。

4 結(jié)語

綜合以上分析可知，化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需準(zhǔn)確掌握設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)問題，顯著改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。當(dāng)前，在化工設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)使用過程中彈性明顯下降問題和高溫結(jié)構(gòu)變形或蠕變問題是較為棘手的難題，要求人員在設(shè)計(jì)中采取多種措施解決上述問題，注重化工設(shè)備的安全檢驗(yàn)，以此提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，減少損失的形成。