化工設(shè)備工程設(shè)計方法論文

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　　化工設(shè)備應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，安全可靠性要求高，因此，對化工設(shè)備設(shè)計人員的要求也隨之提高�；ぴO(shè)備的工程設(shè)計包括設(shè)計原理和繪圖方法。了解化工設(shè)備的設(shè)計原理，對于把握設(shè)計產(chǎn)品的安全合理性至關(guān)重要。把握化工設(shè)備的繪圖方法對于提高企業(yè)的設(shè)計效率大有裨益。本文就化工設(shè)備的工程設(shè)計方法和實際中遇到的問題進行探討。

化工設(shè)備工程設(shè)計方法論文

　　1 設(shè)計的原理

　　化工設(shè)備設(shè)計主要是在把握設(shè)計標(biāo)準的基礎(chǔ)上，設(shè)計出安全合理經(jīng)濟的產(chǎn)品。標(biāo)準規(guī)范介紹了各種形式化工設(shè)備的設(shè)計原理和規(guī)則。熟悉化工設(shè)備的設(shè)計原理，需要了解化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和計算模型。化工設(shè)備根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的計算模型，臥式容器的計算模型是對稱外伸懸臂梁，塔器的計算模型是多自由度振動體系。總的來說，化工設(shè)備的計算模型可以從結(jié)構(gòu)、受力和約束三方面來分析。化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)由外殼、內(nèi)件和支座等組成，外殼多為圓柱殼體或球殼。約束指的是設(shè)備的支撐方式，包括支座、鞍座、裙座和球罐支柱等。受力主要是壓力、液柱靜壓力和接管載荷等。不同形式的設(shè)備承受不同的載荷，并且主次載荷并不相同，比如，臥式容器和換熱器不考慮橫向風(fēng)載荷，但是塔器和球罐需要考慮風(fēng)載荷（且是主要載荷），還需考慮水平風(fēng)力和水平地震力�？偠灾ぴO(shè)備設(shè)計的原理包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是確定不同設(shè)備的外形和內(nèi)件形式，使其滿足工藝要求；結(jié)構(gòu)計算主要是確定計算模型，使設(shè)備及零部件滿足強度、剛度、穩(wěn)定性和使用壽命的要求。此外，設(shè)計是制造的上游工序，因此，設(shè)備設(shè)計還要考慮制造和檢測的要求[1]。

　　1.1工程設(shè)計方法

　　化工設(shè)備的設(shè)計包括零部件的設(shè)計和總體設(shè)計。具體設(shè)計方法上包括材料選擇、結(jié)構(gòu)選型和尺寸計算、材料選擇需要考慮工藝介質(zhì)和各種材料的物理化學(xué)和機械加工性能等。結(jié)構(gòu)選型一方面指的是工藝的設(shè)備選型，另一方面指的是設(shè)備的強度計算模型，比如開孔補強方法采用補強圈還是厚壁管或者增加殼體壁厚的整體補強。尺寸計算指的是確定滿足工藝要求和設(shè)備強度要求的尺寸。零部件的設(shè)計可分為標(biāo)準件的選型和非標(biāo)件的設(shè)計。對于標(biāo)準件的選型來說，需要設(shè)計者充分了解標(biāo)準件的適用范圍，做到既滿足工藝和結(jié)構(gòu)要求，又經(jīng)濟合理。當(dāng)設(shè)備的設(shè)計條件超出標(biāo)準件的使用范圍時，就需要設(shè)計者設(shè)計非標(biāo)件。對于非標(biāo)件的設(shè)計，需要設(shè)計者從計算模型上把握產(chǎn)品的合格標(biāo)準，在滿足產(chǎn)品要求的前提下，追求設(shè)計的最優(yōu)化。非標(biāo)件的設(shè)計經(jīng)常使用經(jīng)驗對比的設(shè)計方法，主要是參考標(biāo)準件和竣工圖紙的形狀和尺寸作為初始參數(shù)，補充輸入新的設(shè)計參數(shù)，利用SW6的校核模式來驗證是否合格，若合格則可采用，否則需要修改尺寸，重新校核，直至合格。這種方法既可以借鑒原有的成功經(jīng)驗，又同時滿足計算的要求，提高了非標(biāo)件設(shè)計的效率�？傮w設(shè)計是將整個設(shè)備作為一個計算模型，重點考查零部件之間的連接方式以及連接后產(chǎn)生的局部應(yīng)力，同時分析整個設(shè)備在整體載荷下的安全問題，比如塔器在風(fēng)載荷、地震載荷和內(nèi)壓共同作用下的應(yīng)力響應(yīng)。SW6是化工設(shè)備計算軟件，包括零部件設(shè)計和設(shè)備設(shè)計。利用計算機的計算方便性，結(jié)合理論知識，可以提高設(shè)計的效率和產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　1.1.1化工設(shè)備的壁厚

　　化工設(shè)備是根據(jù)彈性失效和彈塑性失效準則來設(shè)計的。壁厚尺寸是設(shè)備滿足載荷和工藝要求的關(guān)鍵尺寸。理解化工設(shè)備各種壁厚的含義對于合理準確的設(shè)計至關(guān)重要。計算壁厚指的是滿足強度要求的厚度，這是強度要求的厚度，以解決設(shè)備在這種載荷下可不可以用的問題。最小壁厚大多是剛度要求的厚度，解決設(shè)備變形的問題。腐蝕裕量保證了設(shè)備的使用壽命（對均勻腐蝕來講）。設(shè)計厚度是強度和使用壽命要求的厚度，等于計算厚度（或最小厚度）加腐蝕裕量，所以，設(shè)計厚度可以保證設(shè)備在使用壽命內(nèi)的強度安全。筒體的名義厚度=設(shè)計厚度+負偏差C1+圓整，圓整量是富裕的厚度，此類富裕厚度反映出設(shè)備的最大允許工作壓力往往大于設(shè)計壓力。封頭的名義厚度需要考慮制造減薄率，封頭的最小成形厚度只有大于等于設(shè)計厚度，才能保證封頭的強度和使用壽命。

　　1.1.2不同設(shè)備壁厚的決定因素

　　不同的設(shè)備有不同的計算模型，因此，不同的設(shè)備也就具有不同的關(guān)鍵厚度。關(guān)鍵厚度指的是決定受壓元件名義厚度的關(guān)鍵因素要求的厚度。球罐的關(guān)鍵厚度是內(nèi)壓、開孔補強、a點組合應(yīng)力決定的厚度中最大者。根據(jù)經(jīng)驗，球罐殼體的壁厚，大多由支柱和殼體相交最低點的應(yīng)力決定。臥式容器的關(guān)鍵厚度是內(nèi)壓、開孔補強、鞍座應(yīng)力決定的厚度中的最大者。一般來說，中低壓臥式容器的壁厚大多是由鞍座處殼體厚度決定的。塔器的關(guān)鍵厚度是內(nèi)壓、開孔補強、地震力和風(fēng)壓決定的厚度中的最大者。中低壓塔的最大壁厚是由地震力和風(fēng)壓共同決定的。大型儲罐的壁厚是由內(nèi)壓（氮封壓力）、風(fēng)壓、地震力、物料和自重決定的。一般來說，壁厚主要由液柱靜壓力或內(nèi)壓決定。除此之外，對于一些特殊的容器，我們還需要特別考慮接管載荷對殼體厚度的要求，比如高溫高壓反應(yīng)器封頭上接管載荷對封頭壁厚的要求。了解不同設(shè)備的關(guān)鍵厚度，對于我們掌握化工設(shè)備的安全設(shè)計至關(guān)重要。

　　1.2設(shè)計標(biāo)準

　　設(shè)計標(biāo)準是設(shè)計的依據(jù)。設(shè)計者只有熟悉設(shè)計標(biāo)準的內(nèi)容，理會設(shè)計標(biāo)準表達的內(nèi)涵，才能準確地利用好標(biāo)準，設(shè)計出合格的產(chǎn)品。標(biāo)準按照設(shè)計內(nèi)容可以分為設(shè)備級標(biāo)準、零部件標(biāo)準和施工標(biāo)準。設(shè)備標(biāo)準包括塔設(shè)備、換熱設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備、儲運設(shè)備標(biāo)準。零部件標(biāo)準包括鋼制管法蘭、緊固件、墊片標(biāo)準、設(shè)備法蘭、支座等標(biāo)準。除此之外，了解壓力容器的材料標(biāo)準，在已知的介質(zhì)和環(huán)境條件下，選擇合適的材料，保證結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。我國標(biāo)準的特點是相互聯(lián)系，相輔相成，所以學(xué)習(xí)標(biāo)準不可只見樹木不見森林。首先，就單個標(biāo)準來講，要把握標(biāo)準的使用范圍和選擇原則；其次，由于我國標(biāo)準是層層相關(guān)的，包括法規(guī)、規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準等，因而使用標(biāo)準時不僅要把握該標(biāo)準本身，還要結(jié)合與該標(biāo)準相關(guān)的其他標(biāo)準，這樣才能更透徹地理解標(biāo)準的含義，更準確地把握標(biāo)準，設(shè)計出更優(yōu)秀的產(chǎn)品。隨著社會和學(xué)術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準規(guī)范也在不斷更新，各個國家的標(biāo)準也存在差異[2-3]。對于更先進、更經(jīng)濟的新標(biāo)準來說，老標(biāo)準相對保守，不經(jīng)濟，存在不足。所以設(shè)計者要不斷學(xué)習(xí)新標(biāo)準，學(xué)習(xí)新的設(shè)計方法和設(shè)計理念，這樣才能做到與時俱進，設(shè)計出更加安全可靠、經(jīng)濟合理的產(chǎn)品。

　　1.3繪圖

　　圖紙是設(shè)計理念和結(jié)果的表達�；ぴO(shè)備由于其結(jié)構(gòu)的特點，其繪圖方法也和一般的機械制圖不太一樣。繪圖對于化工設(shè)備的設(shè)計十分重要：一是可以表達設(shè)計理念；二是可以確定零部件的配合尺寸；三是可以檢查設(shè)計中的一些干涉問題。化工設(shè)備的繪圖順序是先按比例繪制所有的零件圖，之后利用配合關(guān)系組裝出總圖。當(dāng)零件之間，特別是內(nèi)件之間存在干涉時，需要重新修改零件尺寸，校核驗證，直至沒有干涉為止。在繪制整體的裝配圖后，需要繪制零件之間的節(jié)點圖，比如焊接節(jié)點圖、局部放大節(jié)點等。之后添加必要的制造、檢驗和安裝使用的技術(shù)要求。最后，統(tǒng)計材料，填寫明細表，完成繪圖。繪圖中的尺寸可以分為兩類：一類是計算出來的精確尺寸，比如工藝的筒體內(nèi)徑和管口尺寸，設(shè)備強度計算出的筒體壁厚等；另一類是規(guī)則經(jīng)驗尺寸，也就是說該類尺寸不需要經(jīng)精確的公式計算，只是根據(jù)規(guī)則和經(jīng)驗而定的，比如高溫塔器裙座的過渡段的長度要大于五倍的保溫層厚度，且不小于500mm；焊縫間距宜大于三倍壁厚且不小于150mm等。因此，繪圖尺寸來自于設(shè)計者的計算和設(shè)計規(guī)則。傳統(tǒng)的CAD繪圖方法自動化程度不高，生產(chǎn)效率低。隨著計算機的發(fā)展，更加智能的繪圖方法不斷出現(xiàn)，大大提高了繪圖效率和準確性，比如，交互化、智能化的化工設(shè)備CAD繪圖系統(tǒng)、PVCAD系統(tǒng)等[4-5]。

　　2 存在的問題和建議

　　化工設(shè)備的設(shè)計標(biāo)準都有一定的使用范圍，實際設(shè)計中往往會超出標(biāo)準的使用范圍，比如計算模型不同、載荷工況不同等。因此，設(shè)計者不僅要把握標(biāo)準的內(nèi)容，。在有標(biāo)準的時候嚴格使用標(biāo)準，在沒標(biāo)準可以參照的時候，要依據(jù)相關(guān)的知識，運用合理的簡化和計算方法，設(shè)計出合格的產(chǎn)品，比如螺紋鎖緊環(huán)換熱器、夾套攪拌容器等。這類設(shè)備的設(shè)計一方面可以利用經(jīng)驗對比法，參考以前的圖紙進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；另一方面要根據(jù)力學(xué)的原理，建立力學(xué)模型，進行計算校核；此外，利用有限元法可以對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進行分析設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計或校核等。設(shè)計標(biāo)準的層次和行業(yè)眾多，針對同一問題，可能不同的標(biāo)準具有不同的表達方式或者側(cè)重點。設(shè)計者不僅要把握標(biāo)準的內(nèi)容，更要理解編制標(biāo)準者的初衷，把握標(biāo)準的原理。在眾多的標(biāo)準中選擇最適合產(chǎn)品工況條件的標(biāo)準進行設(shè)計。設(shè)計中需要經(jīng)常使用標(biāo)準件，使用標(biāo)準件可以方便設(shè)備的設(shè)計和制造。標(biāo)準件可以直接選擇型號，不必再進行計算。但是，實際設(shè)計中，當(dāng)我們選擇了標(biāo)準件，同時需要修改標(biāo)準件的某個尺寸時，此時的標(biāo)準件就不能算標(biāo)準件了，必須重新計算，合格后才可選用，比如，球罐人孔法蘭蓋，可以選擇標(biāo)準件，如果需要在法蘭蓋中心再接一個排凝管，此時法蘭蓋就算是非標(biāo)件了，需要重新計算。類似的問題還有標(biāo)準法蘭的內(nèi)徑選擇，一般標(biāo)準法蘭并不給出法蘭內(nèi)徑，只是要求法蘭內(nèi)徑與對接的接管內(nèi)徑相同。由于接管和法蘭的計算模型不同，接管的壁厚和法蘭應(yīng)力校核需要的直邊段厚度不一定相等[6]。因此，對此類情況下的標(biāo)準件，在苛刻工況下，為了安全可靠，應(yīng)進行必要的校核后再選用。

　　3 結(jié)論

　　化工設(shè)備的工程設(shè)計方法包括設(shè)計的原理、標(biāo)準和繪圖方法。設(shè)計原理是設(shè)計的根本，設(shè)計標(biāo)準使設(shè)計更加規(guī)范和準確，繪圖是設(shè)計思路和計算結(jié)果的表達，設(shè)計原理和圖紙相輔相成。只有了解了化工設(shè)備的計算原理和設(shè)計標(biāo)準，才能設(shè)計出安全經(jīng)濟合理的產(chǎn)品。

　　參考文獻

　　[1]陳建俊.從制造角度看化工設(shè)備的設(shè)計[J].化工設(shè)備與管道，2005，42（6）：1-7.

　　[2]丁伯民.對壓力容器有關(guān)標(biāo)準的一些看法[J].化工設(shè)備與管道，2008，45（2）：1-3.

　　[3]丁伯民.壓力容器標(biāo)準應(yīng)用的探討[J].化工設(shè)備與管道，2001，38（2）：5-10.

　　[4]林杰.交互式、智能化化工設(shè)備CAD系統(tǒng)的開發(fā)[J].化工設(shè)備與管道，2012，49（3）：47-49.

　　[5]曹文輝.化工設(shè)備CAD系統(tǒng)的實現(xiàn)模式[J].化工設(shè)備與管道，2008，45（2）：15-18.

　　[6]蘇月.法蘭的非標(biāo)設(shè)計[J].廣州化工，2014，42（13）：165-168.

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