SW6 軟件在《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

石 寧

(貴州理工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》是化學(xué)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(guò)對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握化工設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，具備能夠從事化工設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、維修和管理所需具備的基本知識(shí)[2]。課程主要內(nèi)容包括工程力學(xué)基礎(chǔ)、化工設(shè)備材料、壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)、塔設(shè)備、換熱設(shè)備和機(jī)械攪拌反應(yīng)釜等，其中化工容器設(shè)計(jì)是重點(diǎn)需要掌握的內(nèi)容[3-4]。在此門課程的教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)，該門課程知識(shí)量大，知識(shí)點(diǎn)比較分散，理論與計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，使得學(xué)生感到繁瑣、枯燥且缺乏新鮮感，對(duì)課程的學(xué)習(xí)缺乏興趣，從而在很大程度上影響了教學(xué)效果。特別地，由于學(xué)生缺乏工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所以對(duì)化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)缺乏基本認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)感到抽象和枯燥。目前國(guó)內(nèi)諸多高校教師也都在如果提高本門課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)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(jì)技術(shù)中心站編制的化工設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件，其計(jì)算模型包含了GB150、GB151、JB4710和JB4731等一系列與壓力容器、化工過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在化工設(shè)備的設(shè)計(jì)工作中具有廣泛的應(yīng)用,并深受化工設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、使用單位的歡迎，是目前大多數(shù)設(shè)計(jì)院進(jìn)行容器常規(guī)設(shè)計(jì)必備的一款軟件[8-10]。

將工程軟件引入到課堂教學(xué)，是提高教學(xué)質(zhì)量的一種[10]。為提高學(xué)生對(duì)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》課程學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，促使學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，筆者在課程教學(xué)中引入了SW6軟件，在各個(gè)章節(jié)結(jié)束后都利用SW6軟件對(duì)典型的設(shè)備進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)， 一方面讓學(xué)生了解設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)容器的流程， 減少其對(duì)企業(yè)工作的神秘感， 深刻領(lǐng)悟目前所學(xué)并非"無(wú)用知識(shí)"， 進(jìn)而提高其對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的積極性，另一方面則通過(guò)對(duì)SW6軟件使用中需要輸入的各種參數(shù)的講解，讓學(xué)生對(duì)各種設(shè)備的基本參數(shù)有了直觀的感性認(rèn)識(shí)。筆者發(fā)現(xiàn)SW6軟件的引入對(duì)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》的課程教學(xué)具有顯著的提升作用。

下面，筆者將通過(guò)利用SW6軟件輔助塔設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算，闡明SW6軟件在輔助《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用。

1 SW6軟件輔助塔設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)例演示

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

試?yán)肧W6軟件輔助設(shè)計(jì)一篩板塔。所需設(shè)計(jì)條件如下：

(1)設(shè)計(jì)壓力2.0MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃。

(2)塔內(nèi)徑1600mm，塔筒體長(zhǎng)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(duì)向開2個(gè)DN450人孔，人孔短管厚度20mm，人孔短管伸出長(zhǎng)度200mm。

(5)塔體保溫層厚度100mm，扶梯當(dāng)量寬度400mm，設(shè)四個(gè)操作平臺(tái)，操作平臺(tái)當(dāng)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(wú)損檢測(cè)。

(7)塔設(shè)備安裝與貴陽(yáng)市室外，基本風(fēng)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(jì)的參數(shù)輸入與解析

1.2.1 啟動(dòng)塔設(shè)備程序后，首先新建文件，然后輸入主體設(shè)計(jì)參數(shù)。為了簡(jiǎn)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(yàn)采用液壓試驗(yàn)。其主體設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入如圖1所示。在這里，可以給學(xué)生回顧壓力試驗(yàn)的作用及試驗(yàn)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(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、筒體內(nèi)徑、筒體長(zhǎng)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(yàn)壓力，其中設(shè)計(jì)壓力為2MPa，設(shè)計(jì)溫度為200℃，筒體內(nèi)徑1200mm，筒體長(zhǎng)度(高度)為20000mm。我們考慮焊縫都是雙面對(duì)接焊、全焊透，且100%進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，所以焊接接頭系數(shù)取1。試驗(yàn)壓力指的是水壓試驗(yàn)，其值通過(guò)公式計(jì)算確定：

筒體的名義厚度可以通過(guò)后面的計(jì)算確定，在這里不需要輸入。

在這個(gè)部分，我們可以對(duì)同學(xué)們重新復(fù)習(xí)腐蝕裕量、名義厚度、焊接接頭系數(shù)、材料種類、水壓試驗(yàn)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固，并加深學(xué)生對(duì)各種參數(shù)形成直觀的認(rèn)識(shí)。

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(jì)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(shí)考慮塔釜液面高度及塔頂操作空間，所以計(jì)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(jì)算出來(lái)為21830mm。

通過(guò)這部分輸入?yún)?shù)的講解和演示，讓學(xué)生對(duì)塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)有了深入認(rèn)識(shí)。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(tái)總個(gè)數(shù)、塔體上最低平臺(tái)距基礎(chǔ)的高度、塔體上最高平臺(tái)距離基礎(chǔ)的高度、平臺(tái)寬度、平臺(tái)包角和扶梯與最大管線的相對(duì)位置。這些參數(shù)主要是用于計(jì)算操作質(zhì)量載荷及風(fēng)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(jì)時(shí)需要根據(jù)物料密度來(lái)輸入，此處僅作簡(jiǎn)化)。塔釜液面高度需要根據(jù)工藝計(jì)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(cè)，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(wú)縫鋼管，所以外徑為219mm。管線保溫層厚度取100mm。塔體上平臺(tái)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(gè)操作平臺(tái)，每個(gè)間距5000mm。最低操作平臺(tái)距離基礎(chǔ)的高度為3000mm，最高操作平臺(tái)距離基礎(chǔ)高度則為18000mm。平臺(tái)寬度500mm，以便能夠并行通過(guò)兩個(gè)人，平臺(tái)包角360o。扶梯與管線相對(duì)位置是用于計(jì)算有效迎風(fēng)面積，有90°布置和180°布置兩種，我們這里選用180°布置。

通過(guò)這部分輸入?yún)?shù)的講解和演示，學(xué)生能夠?qū)λO(shè)備的塔體保溫層、管線、操作平臺(tái)、扶梯等結(jié)構(gòu)有感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)塔體中對(duì)有效迎風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)的液柱靜壓力，因?yàn)樗?0m，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(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面深度是直徑的四分之一，所以這個(gè)地方為400mm。封頭直邊高度由壁厚決定，這個(gè)地方取40mm。

這個(gè)部分輸入?yún)?shù)的講解，能夠加深學(xué)生對(duì)液柱靜壓力、封頭種類、標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的形狀等知識(shí)的理解。

在上封頭的參數(shù)輸入完成之后，我們可以對(duì)其壁厚進(jìn)行基本計(jì)算。如圖6所示，計(jì)算結(jié)果提示橢圓封頭的名義壁厚為12mm。同時(shí)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?cè)谕搀w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(fēng)壓值、地震設(shè)防烈度、地面粗糙度類別、場(chǎng)地類型、設(shè)計(jì)地震分組。這里為了簡(jiǎn)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(tái)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(fēng)壓值考慮安裝地點(diǎn)在貴陽(yáng)，查表確定基本風(fēng)壓值為300N/m2。其他參數(shù)可以參考教材進(jìn)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(jì)的核心。因?yàn)槿棺牡捉孛婧妥畲箝_孔中心截面的彎矩引起的應(yīng)力較大，所以這兩個(gè)截面是危險(xiǎn)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(jì)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(duì)接和搭接，但是對(duì)接的力學(xué)性能好于搭接；裙座名義厚度通常可以取與筒體厚度相等，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(gè)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(zhǎng)度。這部分的數(shù)據(jù)是用于計(jì)算裙座上人孔截面處的截面面積及截面抗彎模量，從而計(jì)算此處由質(zhì)量載荷、風(fēng)載荷、地震載荷在此截面所產(chǎn)生的應(yīng)力。在這里，我們考慮裙座中部對(duì)向開兩個(gè)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(zhǎng)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(gè)數(shù)為4的倍數(shù)，我們先取16個(gè)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(jì)的結(jié)果解析

基本參數(shù)輸入完成后，可以通過(guò)對(duì)塔體和裙座進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與校核。因?yàn)樗O(shè)備設(shè)計(jì)中塔體與裙座是在一個(gè)模塊中，所以需要先計(jì)算封頭的名義壁厚，并且據(jù)此確定筒體的名義壁厚，再進(jìn)行塔體與裙座的強(qiáng)度計(jì)算和校核。

塔體與裙座的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果包括內(nèi)壓圓筒與封頭應(yīng)力校核、裙座殼軸向壓力校核、裙座殼最大引出管截面應(yīng)力校核、裙座與殼體連接段底截面應(yīng)力校核、裙座殼與塔殼焊接截面應(yīng)力校核、基礎(chǔ)環(huán)板應(yīng)力計(jì)算與厚度設(shè)計(jì)、地腳螺栓應(yīng)力計(jì)算與直徑設(shè)計(jì)。其中各個(gè)地方的校核不合格時(shí)，需要修改相關(guān)地方的參數(shù)。比如此實(shí)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(jì)算通過(guò)后，軟件可以生成設(shè)備設(shè)計(jì)說(shuō)明書，說(shuō)明書包含了詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，學(xué)生可以生成的計(jì)算說(shuō)明書中詳細(xì)查看計(jì)算過(guò)程，從而結(jié)合實(shí)例加深對(duì)塔設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程的掌握。

2 結(jié)論

本文將SW6軟件應(yīng)用到《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，并采用SW6軟件對(duì)板式塔設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)舉例，詳細(xì)講解SW6輔助塔設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)輸入過(guò)程，分析各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的含義及其對(duì)塔設(shè)備設(shè)計(jì)的影響，一方面讓同學(xué)們掌握了SW6的使用，另一方面也讓同學(xué)們對(duì)塔設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)有了深入的理解。可以看到，采用SW6設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生可將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力等參數(shù)的選取、壓力容器選材、壁厚計(jì)算公式、彎矩計(jì)算、應(yīng)力組合計(jì)算等系統(tǒng)化，梳理設(shè)計(jì)思路，并將所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行延伸，并促使學(xué)生將理論知識(shí)同工程設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。