化工設(shè)備工程設(shè)計(jì)方法論文

　　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(duì)化工設(shè)備設(shè)計(jì)人員的要求也隨之提高�；�工設(shè)備的工程設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)原理和繪圖方法。了解化工設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，對(duì)于把握設(shè)計(jì)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(duì)于提高企業(yè)的設(shè)計(jì)效率大有裨益。本文就化工設(shè)備的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)際中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討。

　　1 設(shè)計(jì)的原理

　　化工設(shè)備設(shè)計(jì)主要是在把握設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出安全合理經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范介紹了各種形式化工設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和規(guī)則。熟悉化工設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，需要了解化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型�；�工設(shè)備根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的計(jì)算模型，臥式容器的計(jì)算模型是對(duì)稱外伸懸臂梁，塔器的計(jì)算模型是多自由度振動(dòng)體系�？偟膩�(lái)說(shuō)，化工設(shè)備的計(jì)算模型可以從結(jié)構(gòu)、受力和約束三方面來(lái)分析�；�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�言之，化工設(shè)備設(shè)計(jì)的原理包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算主要是確定計(jì)算模型，使設(shè)備及零部件滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和使用壽命的要求。此外，設(shè)計(jì)是制造的上游工序，因此，設(shè)備設(shè)計(jì)還要考慮制造和檢測(cè)的要求[1]。

　　1.1工程設(shè)計(jì)方法

　　化工設(shè)備的設(shè)計(jì)包括零部件的設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)方法上包括材料選擇、結(jié)構(gòu)選型和尺寸計(jì)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(jī)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(qiáng)度計(jì)算模型，比如開孔補(bǔ)強(qiáng)方法采用補(bǔ)強(qiáng)圈還是厚壁管或者增加殼體壁厚的整體補(bǔ)強(qiáng)。尺寸計(jì)算指的是確定滿足工藝要求和設(shè)備強(qiáng)度要求的尺寸。零部件的設(shè)計(jì)可分為標(biāo)準(zhǔn)件的選型和非標(biāo)件的設(shè)計(jì)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的選型來(lái)說(shuō)，需要設(shè)計(jì)者充分了解標(biāo)準(zhǔn)件的適用范圍，做到既滿足工藝和結(jié)構(gòu)要求，又經(jīng)濟(jì)合理。當(dāng)設(shè)備的設(shè)計(jì)條件超出標(biāo)準(zhǔn)件的使用范圍時(shí)，就需要設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)非標(biāo)件。對(duì)于非標(biāo)件的設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)者從計(jì)算模型上把握產(chǎn)品的合格標(biāo)準(zhǔn)，在滿足產(chǎn)品要求的前提下，追求設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。非標(biāo)件的設(shè)計(jì)經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)對(duì)比的設(shè)計(jì)方法，主要是參考標(biāo)準(zhǔn)件和竣工圖紙的形狀和尺寸作為初始參數(shù)，補(bǔ)充輸入新的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用SW6的校核模式來(lái)驗(yàn)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(yàn)，又同時(shí)滿足計(jì)算的要求，提高了非標(biāo)件設(shè)計(jì)的效率�？傮w設(shè)計(jì)是將整個(gè)設(shè)備作為一個(gè)計(jì)算模型，重點(diǎn)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(shí)分析整個(gè)設(shè)備在整體載荷下的安全問(wèn)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(jì)算軟件，包括零部件設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)。利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算方便性，結(jié)合理論知識(shí)，可以提高設(shè)計(jì)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(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)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(duì)于合理準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。計(jì)算壁厚指的是滿足強(qiáng)度要求的厚度，這是強(qiáng)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(wèn)題。最小壁厚大多是剛度要求的厚度，解決設(shè)備變形的問(wèn)題。腐蝕裕量保證了設(shè)備的使用壽命（對(duì)均勻腐蝕來(lái)講）。設(shè)計(jì)厚度是強(qiáng)度和使用壽命要求的厚度，等于計(jì)算厚度（或最小厚度）加腐蝕裕量，所以，設(shè)計(jì)厚度可以保證設(shè)備在使用壽命內(nèi)的強(qiáng)度安全。筒體的名義厚度=設(shè)計(jì)厚度+負(fù)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(jì)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(jì)厚度，才能保證封頭的強(qiáng)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(jì)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(bǔ)強(qiáng)、a點(diǎn)組合應(yīng)力決定的厚度中最大者。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，球罐殼體的壁厚，大多由支柱和殼體相交最低點(diǎn)的應(yīng)力決定。臥式容器的關(guān)鍵厚度是內(nèi)壓、開孔補(bǔ)強(qiáng)、鞍座應(yīng)力決定的厚度中的最大者。一般來(lái)說(shuō)，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(bǔ)強(qiáng)、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(chǔ)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(lái)說(shuō)，壁厚主要由液柱靜壓力或內(nèi)壓決定。除此之外，對(duì)于一些特殊的容器，我們還需要特別考慮接管載荷對(duì)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(duì)封頭壁厚的要求。了解不同設(shè)備的關(guān)鍵厚度，對(duì)于我們掌握化工設(shè)備的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

　　1.2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)的依據(jù)。設(shè)計(jì)者只有熟悉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，理會(huì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)的內(nèi)涵，才能準(zhǔn)確地利用好標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出合格的產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)按照設(shè)計(jì)內(nèi)容可以分為設(shè)備級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、零部件標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)包括塔設(shè)備、換熱設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。零部件標(biāo)準(zhǔn)包括鋼制管法蘭、緊固件、墊片標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備法蘭、支座等標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，了解壓力容器的材料標(biāo)準(zhǔn)，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(guó)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是相互聯(lián)系，相輔相成，所以學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)不可只見樹木不見森林。首先，就單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，要把握標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍和選擇原則；其次，由于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是層層相關(guān)的，包括法規(guī)、規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，因而使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不僅要把握該標(biāo)準(zhǔn)本身，還要結(jié)合與該標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的其他標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能更透徹地理解標(biāo)準(zhǔn)的含義，更準(zhǔn)確地把握標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的產(chǎn)品。隨著社會(huì)和學(xué)術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也在不斷更新，各個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)也存在差異[2-3]。對(duì)于更先進(jìn)、更經(jīng)濟(jì)的新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，老標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)保守，不經(jīng)濟(jì)，存在不足。所以設(shè)計(jì)者要不斷學(xué)習(xí)新標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，這樣才能做到與時(shí)俱進(jìn)，設(shè)計(jì)出更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的產(chǎn)品。

　　1.3繪圖

　　圖紙是設(shè)計(jì)理念和結(jié)果的表達(dá)。化工設(shè)備由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其繪圖方法也和一般的機(jī)械制圖不太一樣。繪圖對(duì)于化工設(shè)備的設(shè)計(jì)十分重要：一是可以表達(dá)設(shè)計(jì)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(jì)中的一些干涉問(wèn)題�；�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(shí)，需要重新修改零件尺寸，校核驗(yàn)證，直至沒(méi)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(diǎn)圖，比如焊接節(jié)點(diǎn)圖、局部放大節(jié)點(diǎn)等。之后添加必要的制造、檢驗(yàn)和安裝使用的技術(shù)要求。最后，統(tǒng)計(jì)材料，填寫明細(xì)表，完成繪圖。繪圖中的尺寸可以分為兩類：一類是計(jì)算出來(lái)的精確尺寸，比如工藝的筒體內(nèi)徑和管口尺寸，設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算出的筒體壁厚等；另一類是規(guī)則經(jīng)驗(yàn)尺寸，也就是說(shuō)該類尺寸不需要經(jīng)精確的公式計(jì)算，只是根據(jù)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)而定的，比如高溫塔器裙座的過(guò)渡段的長(zhǎng)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(lái)自于設(shè)計(jì)者的計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)則。傳統(tǒng)的CAD繪圖方法自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)效率低。隨著計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(wèn)題和建議

　　化工設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的使用范圍，實(shí)際設(shè)計(jì)中往往會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍，比如計(jì)算模型不同、載荷工況不同等。因此，設(shè)計(jì)者不僅要把握標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，。在有標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候嚴(yán)格使用標(biāo)準(zhǔn)，在沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)可以參照的時(shí)候，要依據(jù)相關(guān)的知識(shí)，運(yùn)用合理的簡(jiǎn)化和計(jì)算方法，設(shè)計(jì)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(jì)一方面可以利用經(jīng)驗(yàn)對(duì)比法，參考以前的圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面要根據(jù)力學(xué)的原理，建立力學(xué)模型，進(jìn)行計(jì)算校核；此外，利用有限元法可以對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)或校核等。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的層次和行業(yè)眾多，針對(duì)同一問(wèn)題，可能不同的標(biāo)準(zhǔn)具有不同的表達(dá)方式或者側(cè)重點(diǎn)。設(shè)計(jì)者不僅要把握標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，更要理解編制標(biāo)準(zhǔn)者的初衷，把握標(biāo)準(zhǔn)的原理。在眾多的標(biāo)準(zhǔn)中選擇最適合產(chǎn)品工況條件的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中需要經(jīng)常使用標(biāo)準(zhǔn)件，使用標(biāo)準(zhǔn)件可以方便設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造。標(biāo)準(zhǔn)件可以直接選擇型號(hào)，不必再進(jìn)行計(jì)算。但是，實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)我們選擇了標(biāo)準(zhǔn)件，同時(shí)需要修改標(biāo)準(zhǔn)件的某個(gè)尺寸時(shí)，此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)件就不能算標(biāo)準(zhǔn)件了，必須重新計(jì)算，合格后才可選用，比如，球罐人孔法蘭蓋，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)件，如果需要在法蘭蓋中心再接一個(gè)排凝管，此時(shí)法蘭蓋就算是非標(biāo)件了，需要重新計(jì)算。類似的問(wèn)題還有標(biāo)準(zhǔn)法蘭的內(nèi)徑選擇，一般標(biāo)準(zhǔn)法蘭并不給出法蘭內(nèi)徑，只是要求法蘭內(nèi)徑與對(duì)接的接管內(nèi)徑相同。由于接管和法蘭的計(jì)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(duì)此類情況下的標(biāo)準(zhǔn)件，在苛刻工況下，為了安全可靠，應(yīng)進(jìn)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(jì)方法包括設(shè)計(jì)的原理、標(biāo)準(zhǔn)和繪圖方法。設(shè)計(jì)原理是設(shè)計(jì)的根本，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計(jì)更加規(guī)范和準(zhǔn)確，繪圖是設(shè)計(jì)思路和計(jì)算結(jié)果的表達(dá)，設(shè)計(jì)原理和圖紙相輔相成。只有了解了化工設(shè)備的計(jì)算原理和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，才能設(shè)計(jì)出安全經(jīng)濟(jì)合理的產(chǎn)品。

　　參考文獻(xiàn)

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