化工设备工程设计方法

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化工设备应用广泛，结构形式复杂，安全可靠性要求高，因此，对化工设备设计人员的要求也随之提高。化工设备的工程设计包括设计原理和绘图方法。了解化工设备的设计原理，对于把握设计产品的安全合理性至关重要。把握化工设备的绘图方法对于提高企业的设计效率大有裨益。本文就化工设备的工程设计方法和实际中遇到的问题进行探讨。

1设计的原理

化工设备设计主要是在把握设计标准的基础上，设计出安全合理经济的产品。标准规范介绍了各种形式化工设备的设计原理和规则。熟悉化工设备的设计原理，需要了解化工设备的结构和计算模型。化工设备根据结构的不同，具有不同的计算模型，卧式容器的计算模型是对称外伸悬臂梁，塔器的计算模型是多自由度振动体系。总的来说，化工设备的计算模型可以从结构、受力和约束三方面来分析。化工设备的结构由外壳、内件和支座等组成，外壳多为圆柱壳体或球壳。约束指的是设备的支撑方式，包括支座、鞍座、裙座和球罐支柱等。受力主要是压力、液柱静压力和接管载荷等。不同形式的设备承受不同的载荷，并且主次载荷并不相同，比如，卧式容器和换热器不考虑横向风载荷，但是塔器和球罐需要考虑风载荷（且是主要载荷），还需考虑水平风力和水平地震力。总而言之，化工设备设计的原理包括结构的设计和计算。结构设计主要是确定不同设备的外形和内件形式，使其满足工艺要求；结构计算主要是确定计算模型，使设备及零部件满足强度、刚度、稳定性和使用寿命的要求。此外，设计是制造的上游工序，因此，设备设计还要考虑制造和检测的要求[1]。

1.1工程设计方法

化工设备的设计包括零部件的设计和总体设计。具体设计方法上包括材料选择、结构选型和尺寸计算、材料选择需要考虑工艺介质和各种材料的物理化学和机械加工性能等。结构选型一方面指的是工艺的设备选型，另一方面指的是设备的强度计算模型，比如开孔补强方法采用补强圈还是厚壁管或者增加壳体壁厚的整体补强。尺寸计算指的是确定满足工艺要求和设备强度要求的尺寸。零部件的设计可分为标准件的选型和非标件的设计。对于标准件的选型来说，需要设计者充分了解标准件的适用范围，做到既满足工艺和结构要求，又经济合理。当设备的设计条件超出标准件的使用范围时，就需要设计者设计非标件。对于非标件的设计，需要设计者从计算模型上把握产品的合格标准，在满足产品要求的前提下，追求设计的最优化。非标件的设计经常使用经验对比的设计方法，主要是参考标准件和竣工图纸的形状和尺寸作为初始参数，补充输入新的设计参数，利用SW6的校核模式来验证是否合格，若合格则可采用，否则需要修改尺寸，重新校核，直至合格。这种方法既可以借鉴原有的成功经验，又同时满足计算的要求，提高了非标件设计的效率。总体设计是将整个设备作为一个计算模型，重点考查零部件之间的连接方式以及连接后产生的局部应力，同时分析整个设备在整体载荷下的安全问题，比如塔器在风载荷、地震载荷和内压共同作用下的应力响应。SW6是化工设备计算软件，包括零部件设计和设备设计。利用计算机的计算方便性，结合理论知识，可以提高设计的效率和产品的品质。

1.1.1化工设备的壁厚

化工设备是根据弹性失效和弹塑性失效准则来设计的。壁厚尺寸是设备满足载荷和工艺要求的关键尺寸。理解化工设备各种壁厚的含义对于合理准确的设计至关重要。计算壁厚指的是满足强度要求的厚度，这是强度要求的厚度，以解决设备在这种载荷下可不可以用的问题。最小壁厚大多是刚度要求的厚度，解决设备变形的问题。腐蚀裕量保证了设备的使用寿命（对均匀腐蚀来讲）。设计厚度是强度和使用寿命要求的厚度，等于计算厚度（或最小厚度）加腐蚀裕量，所以，设计厚度可以保证设备在使用寿命内的强度安全。筒体的名义厚度=设计厚度+负偏差C1+圆整，圆整量是富裕的厚度，此类富裕厚度反映出设备的最大允许工作压力往往大于设计压力。封头的名义厚度需要考虑制造减薄率，封头的最小成形厚度只有大于等于设计厚度，才能保证封头的强度和使用寿命。

1.1.2不同设备壁厚的决定因素

不同的设备有不同的计算模型，因此，不同的设备也就具有不同的关键厚度。关键厚度指的是决定受压元件名义厚度的关键因素要求的厚度。球罐的关键厚度是内压、开孔补强、a点组合应力决定的厚度中最大者。根据经验，球罐壳体的壁厚，大多由支柱和壳体相交最低点的应力决定。卧式容器的关键厚度是内压、开孔补强、鞍座应力决定的厚度中的最大者。一般来说，中低压卧式容器的壁厚大多是由鞍座处壳体厚度决定的。塔器的关键厚度是内压、开孔补强、地震力和风压决定的厚度中的最大者。中低压塔的最大壁厚是由地震力和风压共同决定的。大型储罐的壁厚是由内压（氮封压力）、风压、地震力、物料和自重决定的。一般来说，壁厚主要由液柱静压力或内压决定。除此之外，对于一些特殊的容器，我们还需要特别考虑接管载荷对壳体厚度的要求，比如高温高压反应器封头上接管载荷对封头壁厚的要求。了解不同设备的关键厚度，对于我们掌握化工设备的安全设计至关重要。

1.2设计标准

设计标准是设计的依据。设计者只有熟悉设计标准的内容，理会设计标准表达的内涵，才能准确地利用好标准，设计出合格的产品。标准按照设计内容可以分为设备级标准、零部件标准和施工标准。设备标准包括塔设备、换热设备、反应设备、储运设备标准。零部件标准包括钢制管法兰、紧固件、垫片标准、设备法兰、支座等标准。除此之外，了解压力容器的材料标准，在已知的介质和环境条件下，选择合适的材料，保证结构的安全和使用寿命。我国标准的特点是相互联系，相辅相成，所以学习标准不可只见树木不见森林。首先，就单个标准来讲，要把握标准的使用范围和选择原则；其次，由于我国标准是层层相关的，包括法规、规范、行业标准等，因而使用标准时不仅要把握该标准本身，还要结合与该标准相关的其他标准，这样才能更透彻地理解标准的含义，更准确地把握标准，设计出更优秀的产品。随着社会和学术的发展，标准规范也在不断更新，各个国家的标准也存在差异[2-3]。对于更先进、更经济的新标准来说，老标准相对保守，不经济，存在不足。所以设计者要不断学习新标准，学习新的设计方法和设计理念，这样才能做到与时俱进，设计出更加安全可靠、经济合理的产品。

1.3绘图

图纸是设计理念和结果的表达。化工设备由于其结构的特点，其绘图方法也和一般的机械制图不太一样。绘图对于化工设备的设计十分重要：一是可以表达设计理念；二是可以确定零部件的配合尺寸；三是可以检查设计中的一些干涉问题。化工设备的绘图顺序是先按比例绘制所有的零件图，之后利用配合关系组装出总图。当零件之间，特别是内件之间存在干涉时，需要重新修改零件尺寸，校核验证，直至没有干涉为止。在绘制整体的装配图后，需要绘制零件之间的节点图，比如焊接节点图、局部放大节点等。之后添加必要的制造、检验和安装使用的技术要求。最后，统计材料，填写明细表，完成绘图。绘图中的尺寸可以分为两类：一类是计算出来的精确尺寸，比如工艺的筒体内径和管口尺寸，设备强度计算出的筒体壁厚等；另一类是规则经验尺寸，也就是说该类尺寸不需要经精确的公式计算，只是根据规则和经验而定的，比如高温塔器裙座的过渡段的长度要大于五倍的保温层厚度，且不小于500mm；焊缝间距宜大于三倍壁厚且不小于150mm等。因此，绘图尺寸来自于设计者的计算和设计规则。传统的CAD绘图方法自动化程度不高，生产效率低。随着计算机的发展，更加智能的绘图方法不断出现，大大提高了绘图效率和准确性，比如，交互化、智能化的化工设备CAD绘图系统、PVCAD系统等[4-5]。

2存在的问题和建议

化工设备的设计标准都有一定的使用范围，实际设计中往往会超出标准的使用范围，比如计算模型不同、载荷工况不同等。因此，设计者不仅要把握标准的内容，。在有标准的时候严格使用标准，在没标准可以参照的时候，要依据相关的知识，运用合理的简化和计算方法，设计出合格的产品，比如螺纹锁紧环换热器、夹套搅拌容器等。这类设备的设计一方面可以利用经验对比法，参考以前的图纸进行结构设计；另一方面要根据力学的原理，建立力学模型，进行计算校核；此外，利用有限元法可以对复杂的结构进行分析设计、优化设计或校核等。设计标准的层次和行业众多，针对同一问题，可能不同的标准具有不同的表达方式或者侧重点。设计者不仅要把握标准的内容，更要理解编制标准者的初衷，把握标准的原理。在众多的标准中选择最适合产品工况条件的标准进行设计。设计中需要经常使用标准件，使用标准件可以方便设备的设计和制造。标准件可以直接选择型号，不必再进行计算。但是，实际设计中，当我们选择了标准件，同时需要修改标准件的某个尺寸时，此时的标准件就不能算标准件了，必须重新计算，合格后才可选用，比如，球罐人孔法兰盖，可以选择标准件，如果需要在法兰盖中心再接一个排凝管，此时法兰盖就算是非标件了，需要重新计算。类似的问题还有标准法兰的内径选择，一般标准法兰并不给出法兰内径，只是要求法兰内径与对接的接管内径相同。由于接管和法兰的计算模型不同，接管的壁厚和法兰应力校核需要的直边段厚度不一定相等[6]。因此，对此类情况下的标准件，在苛刻工况下，为了安全可靠，应进行必要的校核后再选用。

3结论

化工设备的工程设计方法包括设计的原理、标准和绘图方法。设计原理是设计的根本，设计标准使设计更加规范和准确，绘图是设计思路和计算结果的表达，设计原理和图纸相辅相成。只有了解了化工设备的计算原理和设计标准，才能设计出安全经济合理的产品。

作者:范强强 单位:安徽实华工程技术股份有限公司

参考文献

[1]陈建俊.从制造角度看化工设备的设计[J].化工设备与管道，2005，42（6）：1-7.

[2]丁伯民.对压力容器有关标准的一些看法[J].化工设备与管道，2008，45（2）：1-3.

[3]丁伯民.压力容器标准应用的探讨[J].化工设备与管道，2001，38（2）：5-10.

[4]林杰.交互式、智能化化工设备CAD系统的开发[J].化工设备与管道，2012，49（3）：47-49.

[5]曹文辉.化工设备CAD系统的实现模式[J].化工设备与管道，2008，45（2）：15-18.

[6]苏月.法兰的非标设计[J].广州化工，2014，42（13）：165-168.