化工設備工程設計方法論文

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化工設備工程設計方法論文

　　化工設備應用廣泛，結構形式復雜，安全可靠性要求高，因此，對化工設備設計人員的要求也隨之提高。化工設備的工程設計包括設計原理和繪圖方法。了解化工設備的設計原理，對于把握設計產品的安全合理性至關重要。把握化工設備的繪圖方法對于提高企業的設計效率大有裨益。本文就化工設備的工程設計方法和實際中遇到的問題進行探討。

化工設備工程設計方法論文

　　1 設計的原理

　　化工設備設計主要是在把握設計標準的基礎上，設計出安全合理經濟的產品。標準規范介紹了各種形式化工設備的設計原理和規則。熟悉化工設備的設計原理，需要了解化工設備的結構和計算模型。化工設備根據結構的不同，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，化工設備的計算模型可以從結構、受力和約束三方面來分析。化工設備的結構由外殼、內件和支座等組成，外殼多為圓柱殼體或球殼。約束指的是設備的支撐方式，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載荷，但是塔器和球罐需要考慮風載荷（且是主要載荷），還需考慮水平風力和水平地震力。總而言之，化工設備設計的原理包括結構的設計和計算。結構設計主要是確定不同設備的外形和內件形式，使其滿足工藝要求；結構計算主要是確定計算模型，使設備及零部件滿足強度、剛度、穩定性和使用壽命的要求。此外，設計是制造的上游工序，因此，設備設計還要考慮制造和檢測的要求[1]。

　　1.1工程設計方法

　　化工設備的設計包括零部件的設計和總體設計。具體設計方法上包括材料選擇、結構選型和尺寸計算、材料選擇需要考慮工藝介質和各種材料的物理化學和機械加工性能等。結構選型一方面指的是工藝的設備選型，另一方面指的是設備的強度計算模型，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備強度要求的尺寸。零部件的設計可分為標準件的選型和非標件的設計。對于標準件的選型來說，需要設計者充分了解標準件的適用范圍，做到既滿足工藝和結構要求，又經濟合理。當設備的設計條件超出標準件的使用范圍時，就需要設計者設計非標件。對于非標件的設計，需要設計者從計算模型上把握產品的合格標準，在滿足產品要求的前提下，追求設計的最優化。非標件的設計經常使用經驗對比的設計方法，主要是參考標準件和竣工圖紙的形狀和尺寸作為初始參數，補充輸入新的設計參數，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驗，又同時滿足計算的要求，提高了非標件設計的效率。總體設計是將整個設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生的局部應力，同時分析整個設備在整體載荷下的安全問題，比如塔器在風載荷、地震載荷和內壓共同作用下的應力響應。SW6是化工設備計算軟件，包括零部件設計和設備設計。利用計算機的計算方便性，結合理論知識，可以提高設計的效率和產品的品質。

　　1.1.1化工設備的壁厚

　　化工設備是根據彈性失效和彈塑性失效準則來設計的。壁厚尺寸是設備滿足載荷和工藝要求的關鍵尺寸。理解化工設備各種壁厚的含義對于合理準確的設計至關重要。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，解決設備變形的問題。腐蝕裕量保證了設備的使用壽命（對均勻腐蝕來講）。設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，設計厚度可以保證設備在使用壽命內的強度安全。筒體的名義厚度=設計厚度+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備的最大允許工作壓力往往大于設計壓力。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計厚度，才能保證封頭的強度和使用壽命。

　　1.1.2不同設備壁厚的決定因素

　　不同的設備有不同的計算模型，因此，不同的設備也就具有不同的關鍵厚度。關鍵厚度指的是決定受壓元件名義厚度的關鍵因素要求的厚度。球罐的關鍵厚度是內壓、開孔補強、a點組合應力決定的厚度中最大者。根據經驗，球罐殼體的壁厚，大多由支柱和殼體相交最低點的應力決定。臥式容器的關鍵厚度是內壓、開孔補強、鞍座應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。塔器的關鍵厚度是內壓、開孔補強、地震力和風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壓共同決定的。大型儲罐的壁厚是由內壓（氮封壓力）、風壓、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，比如高溫高壓反應器封頭上接管載荷對封頭壁厚的要求。了解不同設備的關鍵厚度，對于我們掌握化工設備的安全設計至關重要。

　　1.2設計標準

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

　　1.3繪圖

　　圖紙是設計理念和結果的表達。化工設備由于其結構的特點，其繪圖方法也和一般的機械制圖不太一樣。繪圖對于化工設備的設計十分重要：一是可以表達設計理念；二是可以確定零部件的配合尺寸；三是可以檢查設計中的一些干涉問題。化工設備的繪圖順序是先按比例繪制所有的零件圖，之后利用配合關系組裝出總圖。當零件之間，特別是內件之間存在干涉時，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點圖，比如焊接節點圖、局部放大節點等。之后添加必要的制造、檢驗和安裝使用的技術要求。最后，統計材料，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，比如工藝的筒體內徑和管口尺寸，設備強度計算出的筒體壁厚等；另一類是規則經驗尺寸，也就是說該類尺寸不需要經精確的公式計算，只是根據規則和經驗而定的，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，繪圖尺寸來自于設計者的計算和設計規則。傳統的CAD繪圖方法自動化程度不高，生產效率低。隨著計算機的發展，更加智能的繪圖方法不斷出現，大大提高了繪圖效率和準確性，比如，交互化、智能化的化工設備CAD繪圖系統、PVCAD系統等[4-5]。

　　2 存在的問題和建議

　　化工設備的設計標準都有一定的使用范圍，實際設計中往往會超出標準的使用范圍，比如計算模型不同、載荷工況不同等。因此，設計者不僅要把握標準的內容，。在有標準的時候嚴格使用標準，在沒標準可以參照的時候，要依據相關的知識，運用合理的簡化和計算方法，設計出合格的產品，比如螺紋鎖緊環換熱器、夾套攪拌容器等。這類設備的設計一方面可以利用經驗對比法，參考以前的圖紙進行結構設計；另一方面要根據力學的原理，建立力學模型，進行計算校核；此外，利用有限元法可以對復雜的結構進行分析設計、優化設計或校核等。設計標準的層次和行業眾多，針對同一問題，可能不同的標準具有不同的表達方式或者側重點。設計者不僅要把握標準的內容，更要理解編制標準者的初衷，把握標準的原理。在眾多的標準中選擇最適合產品工況條件的標準進行設計。設計中需要經常使用標準件，使用標準件可以方便設備的設計和制造。標準件可以直接選擇型號，不必再進行計算。但是，實際設計中，當我們選擇了標準件，同時需要修改標準件的某個尺寸時，此時的標準件就不能算標準件了，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件了，需要重新計算。類似的問題還有標準法蘭的內徑選擇，一般標準法蘭并不給出法蘭內徑，只是要求法蘭內徑與對接的接管內徑相同。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，對此類情況下的標準件，在苛刻工況下，為了安全可靠，應進行必要的校核后再選用。

　　3 結論

　　化工設備的工程設計方法包括設計的原理、標準和繪圖方法。設計原理是設計的根本，設計標準使設計更加規范和準確，繪圖是設計思路和計算結果的表達，設計原理和圖紙相輔相成。只有了解了化工設備的計算原理和設計標準，才能設計出安全經濟合理的產品。

　　參考文獻

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

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

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

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

　　[5]曹文輝.化工設備CAD系統的實現模式[J].化工設備與管道，2008，45（2）：15-18.

　　[6]蘇月.法蘭的非標設計[J].廣州化工，2014，42（13）：165-168.

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