石 寧

(貴州理工學院 化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》是化學工程與工藝專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修核心課程[1-2]。通過對該門課程的學習，學生能夠掌握化工設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)及機械設(shè)計基礎(chǔ)知識，具備能夠從事化工設(shè)備的設(shè)計、制造、檢測、維修和管理所需具備的基本知識[2]。課程主要內(nèi)容包括工程力學基礎(chǔ)、化工設(shè)備材料、壓力容器常規(guī)設(shè)計、塔設(shè)備、換熱設(shè)備和機械攪拌反應釜等，其中化工容器設(shè)計是重點需要掌握的內(nèi)容[3-4]。在此門課程的教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，該門課程知識量大，知識點比較分散，理論與計算過程復雜，使得學生感到繁瑣、枯燥且缺乏新鮮感，對課程的學習缺乏興趣，從而在很大程度上影響了教學效果。特別地，由于學生缺乏工程設(shè)計經(jīng)驗，所以對化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)缺乏基本認識，導致學生對本門課程的學習感到抽象和枯燥。目前國內(nèi)諸多高校教師也都在如果提高本門課程的教學質(zhì)量和教學效果上面做了大量的探索工作[5-7]。

另一方面，SW6軟件包是化工部設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站編制的化工設(shè)備強度計算軟件，其計算模型包含了GB150、GB151、JB4710和JB4731等一系列與壓力容器、化工過程設(shè)備設(shè)計計算有關(guān)的國家標準、行業(yè)標準，在化工設(shè)備的設(shè)計工作中具有廣泛的應用,并深受化工設(shè)備設(shè)計、制造、使用單位的歡迎，是目前大多數(shù)設(shè)計院進行容器常規(guī)設(shè)計必備的一款軟件[8-10]。

將工程軟件引入到課堂教學，是提高教學質(zhì)量的一種[10]。為提高學生對《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程學習的積極性和主動性，促使學生將理論知識與工程實踐緊密結(jié)合，筆者在課程教學中引入了SW6軟件，在各個章節(jié)結(jié)束后都利用SW6軟件對典型的設(shè)備進行機械設(shè)計， 一方面讓學生了解設(shè)計院設(shè)計容器的流程， 減少其對企業(yè)工作的神秘感， 深刻領(lǐng)悟目前所學并非"無用知識"， 進而提高其對設(shè)計環(huán)節(jié)的積極性，另一方面則通過對SW6軟件使用中需要輸入的各種參數(shù)的講解，讓學生對各種設(shè)備的基本參數(shù)有了直觀的感性認識。筆者發(fā)現(xiàn)SW6軟件的引入對《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》的課程教學具有顯著的提升作用。

下面，筆者將通過利用SW6軟件輔助塔設(shè)備的設(shè)計計算，闡明SW6軟件在輔助《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》教學中的應用。

1 SW6軟件輔助塔設(shè)備設(shè)計實例演示

1.1 設(shè)計任務

試利用SW6軟件輔助設(shè)計一篩板塔。所需設(shè)計條件如下：

(1)設(shè)計壓力2.0MPa，設(shè)計溫度200℃。

(2)塔內(nèi)徑1600mm，塔筒體長度20m，塔板間距130mm。

(3)塔設(shè)備附件質(zhì)量系數(shù)為1.2，塔內(nèi)物料密度為700 kg/m3。

(4)裙座高度2m，裙座中部對向開2個DN450人孔，人孔短管厚度20mm，人孔短管伸出長度200mm。

(5)塔體保溫層厚度100mm，扶梯當量寬度400mm，設(shè)四個操作平臺，操作平臺當量寬度500mm，塔頂管線φ219×6mm，塔頂管線保溫層50mm。

(6)塔體選用Q345材料，裙座選用Q235-B鋼。塔體和裙座的腐蝕裕量均取2mm，雙面焊，全焊透，100%無損檢測。

(7)塔設(shè)備安裝與貴陽市室外，基本風壓值300 Pa，地震烈度低于7度，地面類型A。

1.2 SW6軟件輔助塔設(shè)備設(shè)計的參數(shù)輸入與解析

1.2.1 啟動塔設(shè)備程序后，首先新建文件，然后輸入主體設(shè)計參數(shù)。為了簡便，本塔設(shè)備筒體不分段，塔板集中分布于筒體部分，壓力試驗采用液壓試驗。其主體設(shè)計參數(shù)的輸入如圖1所示。在這里，可以給學生回顧壓力試驗的作用及試驗壓力要求。

圖1 塔設(shè)備主體參數(shù)輸入窗口

如圖2所示，在這里需要輸入的參數(shù)包括設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、筒體內(nèi)徑、筒體長度、腐蝕裕量、縱向焊縫焊接接頭系數(shù)、環(huán)向焊縫焊接接頭系數(shù)、材料和試驗壓力，其中設(shè)計壓力為2MPa，設(shè)計溫度為200℃，筒體內(nèi)徑1200mm，筒體長度(高度)為20000mm。我們考慮焊縫都是雙面對接焊、全焊透，且100%進行無損檢測，所以焊接接頭系數(shù)取1。試驗壓力指的是水壓試驗，其值通過公式計算確定：

筒體的名義厚度可以通過后面的計算確定，在這里不需要輸入。

在這個部分，我們可以對同學們重新復習腐蝕裕量、名義厚度、焊接接頭系數(shù)、材料種類、水壓試驗等知識點進行復習鞏固，并加深學生對各種參數(shù)形成直觀的認識。

圖2 筒體數(shù)據(jù)輸入窗口

塔板類型選篩板，塔板數(shù)根據(jù)工藝計算取152塊(在這里我們根據(jù)塔的筒體高度20000mm和塔板間距取130，同時考慮塔釜液面高度及塔頂操作空間，所以計算出塔板數(shù)為152塊)。每層塔板上物料厚度通常由溢流堰高度決定，溢流堰高度通常為30-50mm，這里我們?nèi)?0mm。最低一塊塔板距基礎(chǔ)的高度是裙座高度加上塔釜液面高度，在這里裙座高度是2000mm，而塔釜液面高度根據(jù)操作決定，這里取200mm，所以最低一塊塔板距離基礎(chǔ)高度為2200mm。最高一塊塔板距離基礎(chǔ)高度是最低一塊塔板距離基礎(chǔ)高度加上所有塔板的間距，所有計算出來為21830mm。

通過這部分輸入?yún)?shù)的講解和演示，讓學生對塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)有了深入認識。具體輸入數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 塔板內(nèi)件的參數(shù)輸入窗口

如圖4所示，在這里需要輸入的數(shù)據(jù)包括介質(zhì)密度、塔釜液面高度、塔體保溫層厚度、塔體保溫層密度、最大管線外徑、管線保溫層厚度、塔體上平臺總個數(shù)、塔體上最低平臺距基礎(chǔ)的高度、塔體上最高平臺距離基礎(chǔ)的高度、平臺寬度、平臺包角和扶梯與最大管線的相對位置。這些參數(shù)主要是用于計算操作質(zhì)量載荷及風彎矩。其中介質(zhì)密度我們通常比水輕，所以這里我們輸入700kg/m3(真正設(shè)計時需要根據(jù)物料密度來輸入，此處僅作簡化)。塔釜液面高度需要根據(jù)工藝計算確定，我們輸入200mm。塔體保溫層我們輸入100mm。保溫層密度較輕，可以查相關(guān)手冊，我們這里輸入200kg/m3。關(guān)于最大管線外徑數(shù)據(jù)輸入，需要注意最大管線是從塔頂引出的出氣管，通常布置在塔側(cè)。這里選用φ219×5的無縫鋼管，所以外徑為219mm。管線保溫層厚度取100mm。塔體上平臺是用于工人檢修和操作，在這里我們假設(shè)塔體上均布4個操作平臺，每個間距5000mm。最低操作平臺距離基礎(chǔ)的高度為3000mm，最高操作平臺距離基礎(chǔ)高度則為18000mm。平臺寬度500mm，以便能夠并行通過兩個人，平臺包角360o。扶梯與管線相對位置是用于計算有效迎風面積，有90°布置和180°布置兩種，我們這里選用180°布置。

通過這部分輸入?yún)?shù)的講解和演示，學生能夠?qū)λO(shè)備的塔體保溫層、管線、操作平臺、扶梯等結(jié)構(gòu)有感性認識，同時對塔體中對有效迎風面積有關(guān)的參數(shù)有深入了解。

圖4 附件的參數(shù)輸入窗口

此處我們選用最為常用的標準橢圓封頭。如圖5所示，需要輸入的數(shù)據(jù)包括液柱靜壓力、焊接接頭系數(shù)、腐蝕裕量、封頭類型、封頭材料、封頭曲面深度、封頭直邊高度。液柱靜壓力為塔內(nèi)充滿水時的液柱靜壓力，因為塔高20m，所以液柱靜壓力0.2MPa。焊接接頭系數(shù)同樣取1，腐蝕裕量同樣取2。材料取Q345R。標準橢圓封頭的曲面深度是直徑的四分之一，所以這個地方為400mm。封頭直邊高度由壁厚決定，這個地方取40mm。

這個部分輸入?yún)?shù)的講解，能夠加深學生對液柱靜壓力、封頭種類、標準橢圓封頭的形狀等知識的理解。

在上封頭的參數(shù)輸入完成之后，我們可以對其壁厚進行基本計算。如圖6所示，計算結(jié)果提示橢圓封頭的名義壁厚為12mm。同時考慮到橢圓封頭的名義厚度與筒體的名義厚度幾乎相等，所以我們在筒體參數(shù)中輸入筒體名義厚度為12mm。

圖5 上封頭的參數(shù)輸入窗口

1.2.6 載荷參數(shù)輸入

如圖7所示，此處需要輸入的參數(shù)包括偏心載荷、塔設(shè)備附件質(zhì)量系數(shù)、基本風壓值、地震設(shè)防烈度、地面粗糙度類別、場地類型、設(shè)計地震分組。這里為了簡便，不設(shè)置偏心載荷。塔設(shè)備附件質(zhì)量系數(shù)指的是塔上所有的接管、管線、平臺梯子、還有塔盤上的物料及填料重量等等的附件質(zhì)量，一般是取1.2～1.25，在這里我們?nèi)?.2?；撅L壓值考慮安裝地點在貴陽，查表確定基本風壓值為300N/m2。其他參數(shù)可以參考教材進行輸入，不再贅述。

圖7 載荷參數(shù)輸入窗口

裙座是塔設(shè)備所特有的支撐方式，是塔設(shè)備設(shè)計的核心。因為裙座的底截面和最大開孔中心截面的彎矩引起的應力較大，所以這兩個截面是危險截面。

關(guān)于裙座參數(shù)的輸入，分為裙座數(shù)據(jù)(1)窗口、裙座數(shù)據(jù)(2)窗口、裙座數(shù)據(jù)(3)窗口。圖8 是裙座數(shù)據(jù)(1)窗口中需要輸入裙座主體的數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)類型、裙座與筒體的連接方式、裙座結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)高度、裙座總高、裙座設(shè)計溫度、裙座底截面內(nèi)徑、裙座名義厚度、裙座腐蝕余量、裙座材料、裙座防火層厚度和密度、裙座與筒體連接段材料及腐蝕余量。需要注意，裙座與筒體連接方式有對接和搭接，但是對接的力學性能好于搭接；裙座名義厚度通?？梢匀∨c筒體厚度相等，裙座材料通常為Q235-A或Q235-B。

如圖9所示，裙座數(shù)據(jù)(2)窗口中需要輸入的數(shù)據(jù)包括裙座上同一高度處較大孔(包括人孔)個數(shù)、裙座上較大孔中心線高度、較大孔引出管水平方向內(nèi)徑及名義厚度、較大孔引出管長度。這部分的數(shù)據(jù)是用于計算裙座上人孔截面處的截面面積及截面抗彎模量，從而計算此處由質(zhì)量載荷、風載荷、地震載荷在此截面所產(chǎn)生的應力。在這里，我們考慮裙座中部對向開兩個DN450的人孔，人孔中心距離基礎(chǔ)高度1000mm。人孔短管厚度20mm，引出長度200mm。

圖8 裙座數(shù)據(jù)(1)輸入窗口

如圖10所示，裙座數(shù)據(jù)(3)窗口需要輸入的數(shù)據(jù)如圖所示。GB150規(guī)定地腳螺栓公稱直徑最小為24mm。我們先按最小值取。地腳螺栓個數(shù)為4的倍數(shù)，我們先取16個地腳螺栓。地腳螺栓材料常用的是Q235和Q345，我們選擇Q235?；A(chǔ)環(huán)板內(nèi)徑和外徑通常取Di±100～200mm，這里面軟件直接推薦了1432和1792mm。GB150規(guī)定基礎(chǔ)環(huán)板最小厚度為16mm，我們直接選用最小厚度。其他數(shù)據(jù)均選用SW6軟件所推薦的參數(shù)。

圖9 裙座數(shù)據(jù)(2)輸入窗口

1.3 SW6軟件輔助塔設(shè)備設(shè)計的結(jié)果解析

基本參數(shù)輸入完成后，可以通過對塔體和裙座進行強度計算與校核。因為塔設(shè)備設(shè)計中塔體與裙座是在一個模塊中，所以需要先計算封頭的名義壁厚，并且據(jù)此確定筒體的名義壁厚，再進行塔體與裙座的強度計算和校核。

塔體與裙座的強度計算結(jié)果包括內(nèi)壓圓筒與封頭應力校核、裙座殼軸向壓力校核、裙座殼最大引出管截面應力校核、裙座與殼體連接段底截面應力校核、裙座殼與塔殼焊接截面應力校核、基礎(chǔ)環(huán)板應力計算與厚度設(shè)計、地腳螺栓應力計算與直徑設(shè)計。其中各個地方的校核不合格時，需要修改相關(guān)地方的參數(shù)。比如此實例中顯示"基礎(chǔ)環(huán)厚度校核不合格"，所以需要增加基礎(chǔ)環(huán)板厚度，以便使基礎(chǔ)環(huán)板能夠承受更大的載荷。計算通過后，軟件可以生成設(shè)備設(shè)計說明書，說明書包含了詳細的計算過程，學生可以生成的計算說明書中詳細查看計算過程，從而結(jié)合實例加深對塔設(shè)備的設(shè)計過程的掌握。

2 結(jié)論

本文將SW6軟件應用到《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》的課堂教學環(huán)節(jié)，并采用SW6軟件對板式塔設(shè)備進行設(shè)計舉例，詳細講解SW6輔助塔設(shè)備設(shè)計時的數(shù)據(jù)輸入過程，分析各個設(shè)計參數(shù)的含義及其對塔設(shè)備設(shè)計的影響，一方面讓同學們掌握了SW6的使用，另一方面也讓同學們對塔設(shè)備的設(shè)計參數(shù)有了深入的理解。可以看到，采用SW6設(shè)計的過程中，學生可將所學知識點如設(shè)計溫度、設(shè)計壓力等參數(shù)的選取、壓力容器選材、壁厚計算公式、彎矩計算、應力組合計算等系統(tǒng)化，梳理設(shè)計思路，并將所學理論知識進行延伸，并促使學生將理論知識同工程設(shè)計緊密結(jié)合起來，學以致用，激發(fā)學習熱情。