張博，雷夢龍

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

化工設備需要嚴格按照設計標準進行設計，并在相關設計標準選擇上，可以從材料、變化、容器類型等多要素進行考慮，以便于選擇適合設備運轉(zhuǎn)實際情況的設計標準闡述和信息，并且在保證質(zhì)量的前提下，節(jié)約設備制造費用。由于應力分析設計實際開展過程中，對于信息模型、設計時間、材料應用以及設備生產(chǎn)等方面要求較高，為此設備壁厚可適當減薄，所以設備實際制造過程可節(jié)約材料費用和投資。

1 應力分析技術概況

現(xiàn)階段，我國國內(nèi)設計壓力容器設備主要分為標準設計模式和應力分析設計模式，針對不同應用標準選擇適合的操作方案文件，一般在考量容器應力時，主要參照GB150標準文件，該標準文件從彈性失效方面對容器應力進行分析，并根據(jù)第一強度理論標明設備相關參數(shù)，包括內(nèi)部厚度等，實現(xiàn)從內(nèi)至外的應力相等，為此只要筒壁基礎厚度內(nèi)部應力達到材料的標準極限數(shù)值，其材料則會失去應有的效果。

在化工設備方案設計實施過程中，應力分析技術是指對事物物理性能研究的仿真數(shù)據(jù)模型，應力分析過程中，需要對物理參數(shù)進行分析，分解多個模型組成要素，使用有限元法；對于相對簡單的筒狀結構體等相關結構，使用數(shù)據(jù)分析技術方式相對比較簡單和便捷，此種分析方式應用在設備設計中，便于分析設備具體性能，以便于從物理參數(shù)修正入手，提升設備性能，如果單純使用解析技術方式獲得結論則相對比較煩瑣，針對此種十分復雜的工作狀況進行計算時，則需要憑借有限元軟件，便于借助專業(yè)的軟件實現(xiàn)設備性能綜合分析。有限元軟件可以實現(xiàn)快速性能的分析，且根據(jù)分析結果進行網(wǎng)格規(guī)劃，并設置邊界基礎條件，修改調(diào)整設備相關參數(shù)，確保可以獲得滿足荷載設計目標的設備。

應力分析作為設備加工設計重點，采用動態(tài)應力分析手段，可以對設備瞬態(tài)響應等情況進行分析，便于針對設備存在的不足，從參數(shù)調(diào)整角度入手，進行相應設備調(diào)整。并確保系統(tǒng)可以正常開展信息數(shù)據(jù)模擬建立。應力分析技術已經(jīng)在各個行業(yè)得到了全面發(fā)展，由于進一步減少設備內(nèi)部強度基礎厚度，則相應減少了材料使用支出，為此該技術被更多的專業(yè)人員使用，進而由最初的現(xiàn)場建設及模式發(fā)展至現(xiàn)階段數(shù)據(jù)分析和方案設計。其中最初的方案設計和參數(shù)計算，會由于計算機配置和軟件節(jié)點約束，導致參數(shù)分析方式在小范圍內(nèi)使用較為適宜。隨著高科技技術不斷宣傳和推廣，其方案設計和設備制造均得到了認可。除此之外，計算機參數(shù)軟件的智能化和系統(tǒng)化，讓更多的設計人員不再陷入系統(tǒng)軟件處理問題和失誤中，同時，隨著軟件升級和優(yōu)化，讓設計人員可以在后續(xù)方案設計上投入更多精力，確?；ぴO備設計質(zhì)量。

應力分析技術可應用于設備設計性能分析上，為了更好地解決系統(tǒng)實際運轉(zhuǎn)問題，使方案設計既可以保證基礎的環(huán)保性能，還可以在一定程度上提升設備安全性，技術人員需要不斷完善以及改革應力分析技術，能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)計算方式存在的問題，并且制定出相關應對策略，比如，系統(tǒng)運算的強度理論由第三強度理論變?yōu)榈谒膹姸壤碚?，這樣不僅可以對應力種類的計算方法進行全面補充和提高，在一定程度上還可以對方案涉及的安全性得到修正，成為現(xiàn)階段應力分類方法基礎驗證結構。

應力分析手段可以及時發(fā)現(xiàn)化工設備設計中存在的不足，并便于借助專業(yè)的系統(tǒng)對存在的不足之處進行修正，可以有效防止方案設計產(chǎn)生不足和問題。為此需要針對多工況載荷情況，展開荷載情況分析，掌握化工設備具體性能情況。由于應力分析可以分析化工設備性能情況，還可以為后續(xù)設備性能提高提供支持，因此，相關技術人員需要針對化工設備運行溫度、最大荷載、運行勞損等情況進行分析，便于全面提升化工設備設計質(zhì)量。

2 化工設備設計中應力分析應用

2.1 球罐整體性能提升中應力分析

2.1.1 球罐整體的普遍設計

由于球罐支柱結構和球殼連接位置基礎受力狀態(tài)十分復雜且多變，所以系統(tǒng)應力參數(shù)數(shù)據(jù)相對較高，其系統(tǒng)相應荷載、應成力等情況變化較大，分析球罐高應力區(qū)域、低應力區(qū)域，分析球罐受力情況，按照應力情況進行方案設計，針對球罐進行數(shù)據(jù)計算以及A點校正與審核，其主要是利用數(shù)據(jù)公式技術計算方式。

其中數(shù)據(jù)計算的基礎要求需要緯向參數(shù)應力以及系統(tǒng)剪切應力等相互組合，并且該參數(shù)需要始終小于材料基礎應力才能進一步滿足系統(tǒng)基礎評定要求。由此可見，在球罐整體的普遍設計上，其彈性失效標準不能出現(xiàn)結構塑性形變問題，如果設備內(nèi)部結構數(shù)據(jù)產(chǎn)生了塑性形變問題，則被視為球罐內(nèi)部結構失去應有效果。

由于應力分析主要應用在化工設備與材料分析上，按照相關設備內(nèi)部薄膜理論，對設備安全性進行分析，由于基礎應力不能進行種類劃分，為此設備方案設計人員需要在基礎參數(shù)計算等基礎條件上綜合考慮設備基礎腐蝕余量以及材料偏差，隨后進行設備內(nèi)部厚度調(diào)整，結合安全系數(shù)要求，增加2～3mm化工設備內(nèi)部安全水平余量。球殼板壁結構相對復雜，由于其結構特點，使得其承受的荷載與應力來自多個方向，且球殼板、蓋板連接處應力強度發(fā)生變化較大，因此，需要選取多個測試點進行應力分析。

2.1.2 基于整體和局部計算的分析設計

針對球罐整體應用以及結構布局數(shù)據(jù)進行計算，

在進行相關布局與結構參數(shù)設計上，需要充分考慮材料、長期使用因素對球罐應力產(chǎn)生的影響，還需要重視數(shù)據(jù)計算方式的全面優(yōu)化；該數(shù)據(jù)分析和方案設計在相關標準選擇上，一改傳統(tǒng)的彈性失效標準，而是采用極限參數(shù)載荷、安定載荷以及設備疲勞壽命作為主要測試標準，為此設備在參數(shù)設計方式上，允許設備在允許塑性形變范圍內(nèi)發(fā)出現(xiàn)的誤差，確保設備各項參數(shù)可以符合設備使用年限設計要求。

由于使用傳統(tǒng)方案分析方式需要根據(jù)設備結構不同進行綜合分析，可能在設備設計之初，安全系數(shù)選取不是最高的，但是，無須降低設備方案設計的安全性和穩(wěn)定性，為此通過對化工設備相關結構應力情況進行分析，進一步掌握設備球殼板、支柱連接位置所承受應力情況，便于根據(jù)應力情況判斷連接處薄厚情況。大多數(shù)大型球罐設備除上述參數(shù)分析外，還需要對結構應力運轉(zhuǎn)情況進行分析，便于分析設備生產(chǎn)中所需要的材料類型及生產(chǎn)費用。例如，大型球罐設備設計上，不同部位厚度不同，其上寒帶部分、上溫帶內(nèi)部筒壁基礎厚度與赤道帶的壁厚具有明顯的差異性。為此技術人員針對設備進行方案分析和考核過程中，不僅需要對球殼板最大總體數(shù)量進行全面校正與考核，個別化工設備設計時，需要考慮薄膜應力強度情況，并根據(jù)相關應力情況確保化工設備更加可靠。

設計球形儲罐設備時使用應力分析，不僅可以有效節(jié)省使用材料，減少經(jīng)濟成本的支出，一定程度上還可以提升市場的基礎競爭能力，因此，從本質(zhì)上來看，此種參數(shù)應力分析技術方式比常規(guī)方案設計方式來說更安全、更準確以及更可靠，可以針對不同的工作狀態(tài)、不同的運作情況、不同安全設計要求，對化工設備相關參數(shù)進行分析，確保設備整體性能。

對于壓力參數(shù)較高的設備來說，設備的數(shù)據(jù)分析和方案設計成為現(xiàn)階段較好的選擇，為此球形儲罐的整體應力分析設計成為我國現(xiàn)代化設備發(fā)展的主要趨勢之一。比如，對3000m3的球罐設備進行參數(shù)和內(nèi)部結構數(shù)據(jù)的制定過程中，其內(nèi)部厚度每減少1mm，其自身重量就可以減少至少8t，這樣就減少了材料的使用以及降低了生產(chǎn)經(jīng)濟成本費用，尤其是在罐體生產(chǎn)的情況下，其生產(chǎn)和建造所產(chǎn)生的經(jīng)濟成本控制效果十分明顯。對于球罐這種大型的設備和儀器來說，應力分析技術可以對其開展整體化方案設計和技術分析，使用該技術針對系統(tǒng)標準可進行全面評定，并且對于項目信息報價具有明顯的優(yōu)勢。

2.2 在換熱器整體分析設計中的應用

按照換熱器標準文件中明確指出，設備參數(shù)計算主要以設備基礎彈性信息數(shù)據(jù)作為基礎條件，并且以管道孔洞徐削減數(shù)量的圓形平板作為研究平臺，為此需要針對換熱管道以及管道連接端頭所產(chǎn)生的基礎參數(shù)以及拉脫力進行全面評定。為了進一步確保整體參數(shù)分析的精準程度，一般情況下，需要使用標準公式進行數(shù)據(jù)計算。此外，設備標準適用范圍的直徑數(shù)據(jù)不能大于2600mm，同時，將設備設計壓力與直徑相互計算后，其公稱直徑不能大于4000mm。

針對以上設備拉脫力參數(shù)進行計算和重復審核可以得知，在小直徑、應用壓力較低的換熱設備進行研究環(huán)節(jié)上，需要利用參數(shù)計算進而獲得設備運行的最大限度，但對于運轉(zhuǎn)壓力較高、設備直徑較大的換熱設備來說，如果采用上述參數(shù)分析方式，分析產(chǎn)生的結果同實際結果出現(xiàn)的誤差較大。

以某換熱設備作為實際案例，其設備3500mm管殼程直徑，3.5MPa設備管程壓力，0.7MPa設備殼程壓力，350℃設計溫度，所用材料以碳鋼為主，并在使用過程中需要充分考量焊接縫可能出現(xiàn)的泄漏與裂縫問題，需要利用應力分析，從根本上保證設備質(zhì)量。除此之外，設備數(shù)值偏高的部分位置上如果無法滿足基礎評定需求，則需要按照常見數(shù)據(jù)計算，進而有效通過此種模式開展全面計算。

同時，針對強度焊接結構計算，設備基礎拉脫力計算公式不僅需要對設備角焊縫進行全面校正與審核，一定程度上還可以在換熱管中軸載荷作用下，對校正和審核焊接位置的角度、剪切用力?？紤]到直徑大、壓力高的換熱器來說，需要充分考量管板可能出現(xiàn)的形變情況，一旦其出現(xiàn)形變，很可能導致焊縫需要承受管板彎曲應力、焊縫軸向載荷等，增加設備所承載壓力。故在進行這類設備設計上，需要在相關參數(shù)設計上，充分考量焊縫應力情況，便于優(yōu)化焊縫，確保化工設備質(zhì)量。

2.3 加氫反應器設計中應用應力分析

加氫反應器整體分析設計過程中，考慮到反應設備由于壓力參數(shù)高、溫度大，所以材料一般使用不銹鋼材質(zhì)，設備的直徑和內(nèi)部強度厚度也相對較大，致使下封頭位置與裙座位置之間的連接需要使用特殊結構，才能保證設備可以正常運轉(zhuǎn)。設備塔器裙座連接結構、密封端頭設計中，需要嚴格參照《塔式容器》標準進行審核與校正，以便于從應力角度綜合分析該設備性能情況，并根據(jù)應力分析結果，調(diào)整部分結構參數(shù)。

此外，加氫反應設備在方案設計時，為了保證設備運轉(zhuǎn)質(zhì)量水平，需要設置相應隔氣圈，提升設備整體密封性，降低溫度急劇變化對設備產(chǎn)生的影響，確保設備使用壽命，提高設備整體性能，另外，考慮到設備尖銳突出部位，所承受應力相對較高，因此，針對突出部位采用圓滑過渡設計方式，分散應力，提升設備性能。由于加氫反應設備殼體厚度相對較大，其溫度梯度分布位置不均勻，所以外部需要充分考量熱應力情況。因此，需要利用此種應力分析技術對設備內(nèi)部結構進行熱應力信息分析，進而查看溫度具體分布情況，并且對于設備所產(chǎn)生的熱結構耦合情況進行分析，避免由于熱應力影響，導致設備出現(xiàn)損壞。在設計加氫反應器時，需要考量到其存在硫化和再生工況，承受熱應力影響較大，需要考慮設備疲勞應力規(guī)律，并針對應力規(guī)律調(diào)整設備結構。

3 結語

由此可見，現(xiàn)階段化工設備在實際設計和應用過程中，需要使用應力分析設計技術，利用該技術能夠詳細且全面地分析出設備外部結構和連接管道橫截面積，并且能夠科學、合理地使用材料等，保證設備的使用水平。除此之外，由于應力分析在化工設備設計上的應用，設備使用材料、設備制造及檢驗等方面也有了一定的要求，可選用適當降低安全系數(shù)的策略，以降低化工設備加工成本。