化工高溫設(shè)備與安全生產(chǎn)息息相關(guān)，尤其是其中的高溫結(jié)構(gòu)，在設(shè)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(duì)化工高溫設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和理念進(jìn)行探討，并分析其存在的問題。
化工產(chǎn)業(yè)經(jīng)常會(huì)用到化工高溫設(shè)備，設(shè)備使用溫度也越來越高，往往因?yàn)槿渥兓蜃冃巍⑽恢闷x、結(jié)構(gòu)彈性下降引起整體性能下降等,從而造成設(shè)備失效，引起嚴(yán)重的災(zāi)難事故。為了解決這些問題，本文從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)入手，盡力在設(shè)計(jì)方案上消除這些問題。
化工高溫設(shè)備的特點(diǎn)
高溫設(shè)備的運(yùn)行溫度要比金屬材料本身的蠕變起始溫度高，設(shè)備受溫度的影響極大，必須將其蠕變問題列入設(shè)計(jì)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(shè)備存在的問題
2.1.蠕變或變形問題
化工設(shè)備在高溫環(huán)境下工作時(shí)，極可能出現(xiàn)蠕變和墊片、法蘭的變形，會(huì)導(dǎo)致化工設(shè)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(shè)備的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。
在高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用增加隔熱襯環(huán)的方法來降低材料的使用溫度，具體方法為將隔熱襯環(huán)安裝于墊片和法蘭的內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)位置。這種方法通過隔熱襯環(huán)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(dāng)然對(duì)設(shè)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(huán)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(shè)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(nèi)，進(jìn)而使化工高溫設(shè)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(shù)更大。故在熱膨脹方向應(yīng)采用讓其自由膨脹的結(jié)構(gòu)，使材料的受拉（或壓）處于許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。常見有管殼式換熱器中的膨脹節(jié)、高溫填料函結(jié)構(gòu)等。
2.3.偏離限定位置問題
高溫運(yùn)行的化工設(shè)備，其零件可能受高溫影響而偏離，一旦偏離距離超過了負(fù)荷范圍，設(shè)備的運(yùn)行就會(huì)受到嚴(yán)重影響。為解決這一問題，可在設(shè)計(jì)時(shí)最大限度的應(yīng)用套筒的特性，對(duì)螺旋、法蘭和密封墊片的位置偏離能起到抑制作用。針對(duì)螺旋的位置偏離，可在設(shè)計(jì)時(shí)延長螺旋長度，令其和套筒更好地結(jié)合，這樣一來令螺旋應(yīng)力更穩(wěn)定，更不易偏離限定位置；針對(duì)法蘭的位置偏離，套筒可以增大對(duì)法蘭軸的作用，令其向上的熱膨脹現(xiàn)象得到改善；針對(duì)密封墊片的位置偏離，套筒則能起到保護(hù)作用，使其有效規(guī)避偏離超過負(fù)荷范圍的現(xiàn)象。
2.4.結(jié)構(gòu)彈性下降問題
高溫會(huì)影響設(shè)備結(jié)構(gòu)的彈性，結(jié)構(gòu)彈性一旦下降，整個(gè)化工設(shè)備的性能都會(huì)下降，因此，高溫設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須確保結(jié)構(gòu)彈性的問題。應(yīng)對(duì)這一問題的設(shè)計(jì)方案也是通過設(shè)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(duì)應(yīng)位置設(shè)置彈性墊圈可以對(duì)熱膨脹進(jìn)行吸收，對(duì)法蘭也能起到正面影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要針對(duì)作用力加強(qiáng)控制，防止作用力超標(biāo)將此結(jié)構(gòu)整個(gè)壓扁。
化工高溫設(shè)備中易出問題零件的選擇
在高溫設(shè)備中，法蘭是關(guān)鍵零件之一，其在連接時(shí)通常使用透鏡式金屬墊。當(dāng)高溫設(shè)備的溫度逐漸升高時(shí)，法蘭會(huì)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(huì)迅速升高，由此產(chǎn)生的熱膨脹受到法蘭的拘束會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，這熱應(yīng)力和墊片所受的預(yù)緊應(yīng)力形成合成應(yīng)力，一旦合成應(yīng)力超過屈服極限，就可能引起應(yīng)力的松弛和墊片殘余變形。相反，當(dāng)高溫設(shè)備的溫度逐漸降低時(shí)，金屬墊也比法蘭的冷卻速度更快，這時(shí)壓力不足，會(huì)發(fā)生泄露的現(xiàn)象。如此升降溫反復(fù)發(fā)生，幾次之后的殘余變形積累會(huì)大大削減原本的壓緊力，最后發(fā)生嚴(yán)重的泄漏現(xiàn)象。
為了應(yīng)對(duì)這種狀況，在法蘭的設(shè)計(jì)上應(yīng)注意把其周向溫度控制在一個(gè)相似的水平范圍內(nèi)，尤其是存在縱向隔板時(shí)，法蘭的高溫側(cè)要以隔熱襯里或者水夾套進(jìn)行隔離。而墊片則要依據(jù)壓力、溫度等實(shí)際狀況進(jìn)行選擇，以保證法蘭和筒體大致溫度保持一致。當(dāng)溫度大于500℃時(shí)，需要選擇較厚的法蘭和大型的螺栓來保證運(yùn)行的穩(wěn)定?；钐资椒ㄌm可以解決高溫產(chǎn)熱沖擊問題與熱循環(huán)的載荷問題，由于其強(qiáng)度、厚度、螺栓長度都比其他種類的法蘭要高，所以其對(duì)熱膨脹的吸收效果很好，既能規(guī)避螺栓拉力造成的偏轉(zhuǎn)，又能使螺栓不容易拉長，還能消除管壁熱應(yīng)力對(duì)法蘭的影響，解決偏轉(zhuǎn)的問題。
化工高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
4.1.參數(shù)設(shè)計(jì)
化工高溫設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很高的復(fù)雜性，其中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)更是需要嚴(yán)格進(jìn)行，確保全部參數(shù)都精準(zhǔn)無誤、符合要求。舉例來說，高溫管線的設(shè)計(jì)中推力矩的數(shù)值，這項(xiàng)參數(shù)即使只是出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)錯(cuò)誤都有可能導(dǎo)致包括法蘭泄漏在內(nèi)的多項(xiàng)問題，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性事故。
4.2.整體補(bǔ)強(qiáng)
化工高溫設(shè)備的制造材料以Cr-Mo鋼為主，而這種鋼材使用過多會(huì)使壓力偏高造成安全隱患，這時(shí)就需要對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體做法可以將殼體結(jié)構(gòu)和法蘭的零件進(jìn)行焊接使其連接起來。
4.3.溫度控制
對(duì)長時(shí)間處于高溫狀態(tài)下的高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)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(huán)的設(shè)計(jì)，當(dāng)襯環(huán)以奧氏體不銹鋼為材料時(shí)，由于其熱膨脹系數(shù)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(huán)的設(shè)置都會(huì)出現(xiàn)焊縫受到剪切的現(xiàn)象，這現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致襯環(huán)板大幅凸出，嚴(yán)重影響了法蘭的安全性和穩(wěn)定性。因此，對(duì)化工高溫設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格控制空度區(qū)間，一般情況下以300℃為上限。
化工高溫設(shè)備的安全性是化工企業(yè)整體安全的重要保障，因此其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格謹(jǐn)慎，不放過任何一個(gè)細(xì)小的問題。運(yùn)用新技術(shù)、新構(gòu)思對(duì)問題加以解決，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，如此方能設(shè)計(jì)出安全優(yōu)秀的化工高溫設(shè)備，令我國的化工產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步向前發(fā)展。
