應(yīng)力分析在化工設(shè)備設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

張博，雷夢(mèng)龍

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

化工設(shè)備需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇上，可以從材料、變化、容器類型等多要素進(jìn)行考慮，以便于選擇適合設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際情況的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)闡述和信息，并且在保證質(zhì)量的前提下，節(jié)約設(shè)備制造費(fèi)用。由于應(yīng)力分析設(shè)計(jì)實(shí)際開展過程中，對(duì)于信息模型、設(shè)計(jì)時(shí)間、材料應(yīng)用以及設(shè)備生產(chǎn)等方面要求較高，為此設(shè)備壁厚可適當(dāng)減薄，所以設(shè)備實(shí)際制造過程可節(jié)約材料費(fèi)用和投資。

1 應(yīng)力分析技術(shù)概況

現(xiàn)階段，我國(guó)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)備主要分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式和應(yīng)力分析設(shè)計(jì)模式，針對(duì)不同應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)選擇適合的操作方案文件，一般在考量容器應(yīng)力時(shí)，主要參照GB150標(biāo)準(zhǔn)文件，該標(biāo)準(zhǔn)文件從彈性失效方面對(duì)容器應(yīng)力進(jìn)行分析，并根據(jù)第一強(qiáng)度理論標(biāo)明設(shè)備相關(guān)參數(shù)，包括內(nèi)部厚度等，實(shí)現(xiàn)從內(nèi)至外的應(yīng)力相等，為此只要筒壁基礎(chǔ)厚度內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到材料的標(biāo)準(zhǔn)極限數(shù)值，其材料則會(huì)失去應(yīng)有的效果。

在化工設(shè)備方案設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，應(yīng)力分析技術(shù)是指對(duì)事物物理性能研究的仿真數(shù)據(jù)模型，應(yīng)力分析過程中，需要對(duì)物理參數(shù)進(jìn)行分析，分解多個(gè)模型組成要素，使用有限元法；對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的筒狀結(jié)構(gòu)體等相關(guān)結(jié)構(gòu)，使用數(shù)據(jù)分析技術(shù)方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單和便捷，此種分析方式應(yīng)用在設(shè)備設(shè)計(jì)中，便于分析設(shè)備具體性能，以便于從物理參數(shù)修正入手，提升設(shè)備性能，如果單純使用解析技術(shù)方式獲得結(jié)論則相對(duì)比較煩瑣，針對(duì)此種十分復(fù)雜的工作狀況進(jìn)行計(jì)算時(shí)，則需要憑借有限元軟件，便于借助專業(yè)的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能綜合分析。有限元軟件可以實(shí)現(xiàn)快速性能的分析，且根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格規(guī)劃，并設(shè)置邊界基礎(chǔ)條件，修改調(diào)整設(shè)備相關(guān)參數(shù)，確保可以獲得滿足荷載設(shè)計(jì)目標(biāo)的設(shè)備。

應(yīng)力分析作為設(shè)備加工設(shè)計(jì)重點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析手段，可以對(duì)設(shè)備瞬態(tài)響應(yīng)等情況進(jìn)行分析，便于針對(duì)設(shè)備存在的不足，從參數(shù)調(diào)整角度入手，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)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(yīng)力分析技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到了全面發(fā)展，由于進(jìn)一步減少設(shè)備內(nèi)部強(qiáng)度基礎(chǔ)厚度，則相應(yīng)減少了材料使用支出，為此該技術(shù)被更多的專業(yè)人員使用，進(jìn)而由最初的現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)及模式發(fā)展至現(xiàn)階段數(shù)據(jù)分析和方案設(shè)計(jì)。其中最初的方案設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，會(huì)由于計(jì)算機(jī)配置和軟件節(jié)點(diǎn)約束，導(dǎo)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(shù)不斷宣傳和推廣，其方案設(shè)計(jì)和設(shè)備制造均得到了認(rèn)可。除此之外，計(jì)算機(jī)參數(shù)軟件的智能化和系統(tǒng)化，讓更多的設(shè)計(jì)人員不再陷入系統(tǒng)軟件處理問題和失誤中，同時(shí)，隨著軟件升級(jí)和優(yōu)化，讓設(shè)計(jì)人員可以在后續(xù)方案設(shè)計(jì)上投入更多精力，確?；ぴO(shè)備設(shè)計(jì)質(zhì)量。

應(yīng)力分析技術(shù)可應(yīng)用于設(shè)備設(shè)計(jì)性能分析上，為了更好地解決系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)問題，使方案設(shè)計(jì)既可以保證基礎(chǔ)的環(huán)保性能，還可以在一定程度上提升設(shè)備安全性，技術(shù)人員需要不斷完善以及改革應(yīng)力分析技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)算方式存在的問題，并且制定出相關(guān)應(yīng)對(duì)策略，比如，系統(tǒng)運(yùn)算的強(qiáng)度理論由第三強(qiáng)度理論變?yōu)榈谒膹?qiáng)度理論，這樣不僅可以對(duì)應(yīng)力種類的計(jì)算方法進(jìn)行全面補(bǔ)充和提高，在一定程度上還可以對(duì)方案涉及的安全性得到修正，成為現(xiàn)階段應(yīng)力分類方法基礎(chǔ)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。

應(yīng)力分析手段可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)化工設(shè)備設(shè)計(jì)中存在的不足，并便于借助專業(yè)的系統(tǒng)對(duì)存在的不足之處進(jìn)行修正，可以有效防止方案設(shè)計(jì)產(chǎn)生不足和問題。為此需要針對(duì)多工況載荷情況，展開荷載情況分析，掌握化工設(shè)備具體性能情況。由于應(yīng)力分析可以分析化工設(shè)備性能情況，還可以為后續(xù)設(shè)備性能提高提供支持，因此，相關(guān)技術(shù)人員需要針對(duì)化工設(shè)備運(yùn)行溫度、最大荷載、運(yùn)行勞損等情況進(jìn)行分析，便于全面提升化工設(shè)備設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 化工設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)力分析應(yīng)用

2.1 球罐整體性能提升中應(yīng)力分析

2.1.1 球罐整體的普遍設(shè)計(jì)

由于球罐支柱結(jié)構(gòu)和球殼連接位置基礎(chǔ)受力狀態(tài)十分復(fù)雜且多變，所以系統(tǒng)應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)相對(duì)較高，其系統(tǒng)相應(yīng)荷載、應(yīng)成力等情況變化較大，分析球罐高應(yīng)力區(qū)域、低應(yīng)力區(qū)域，分析球罐受力情況，按照應(yīng)力情況進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，針對(duì)球罐進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以及A點(diǎn)校正與審核，其主要是利用數(shù)據(jù)公式技術(shù)計(jì)算方式。

其中數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)要求需要緯向參數(shù)應(yīng)力以及系統(tǒng)剪切應(yīng)力等相互組合，并且該參數(shù)需要始終小于材料基礎(chǔ)應(yīng)力才能進(jìn)一步滿足系統(tǒng)基礎(chǔ)評(píng)定要求。由此可見，在球罐整體的普遍設(shè)計(jì)上，其彈性失效標(biāo)準(zhǔn)不能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)塑性形變問題，如果設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了塑性形變問題，則被視為球罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)失去應(yīng)有效果。

由于應(yīng)力分析主要應(yīng)用在化工設(shè)備與材料分析上，按照相關(guān)設(shè)備內(nèi)部薄膜理論，對(duì)設(shè)備安全性進(jìn)行分析，由于基礎(chǔ)應(yīng)力不能進(jìn)行種類劃分，為此設(shè)備方案設(shè)計(jì)人員需要在基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算等基礎(chǔ)條件上綜合考慮設(shè)備基礎(chǔ)腐蝕余量以及材料偏差，隨后進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部厚度調(diào)整，結(jié)合安全系數(shù)要求，增加2～3mm化工設(shè)備內(nèi)部安全水平余量。球殼板壁結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其承受的荷載與應(yīng)力來自多個(gè)方向，且球殼板、蓋板連接處應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生變化較大，因此，需要選取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.1.2 基于整體和局部計(jì)算的分析設(shè)計(jì)

針對(duì)球罐整體應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)布局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，

在進(jìn)行相關(guān)布局與結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上，需要充分考慮材料、長(zhǎng)期使用因素對(duì)球罐應(yīng)力產(chǎn)生的影響，還需要重視數(shù)據(jù)計(jì)算方式的全面優(yōu)化；該數(shù)據(jù)分析和方案設(shè)計(jì)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇上，一改傳統(tǒng)的彈性失效標(biāo)準(zhǔn)，而是采用極限參數(shù)載荷、安定載荷以及設(shè)備疲勞壽命作為主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為此設(shè)備在參數(shù)設(shè)計(jì)方式上，允許設(shè)備在允許塑性形變范圍內(nèi)發(fā)出現(xiàn)的誤差，確保設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)可以符合設(shè)備使用年限設(shè)計(jì)要求。

由于使用傳統(tǒng)方案分析方式需要根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行綜合分析，可能在設(shè)備設(shè)計(jì)之初，安全系數(shù)選取不是最高的，但是，無須降低設(shè)備方案設(shè)計(jì)的安全性和穩(wěn)定性，為此通過對(duì)化工設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況進(jìn)行分析，進(jìn)一步掌握設(shè)備球殼板、支柱連接位置所承受應(yīng)力情況，便于根據(jù)應(yīng)力情況判斷連接處薄厚情況。大多數(shù)大型球罐設(shè)備除上述參數(shù)分析外，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析，便于分析設(shè)備生產(chǎn)中所需要的材料類型及生產(chǎn)費(fèi)用。例如，大型球罐設(shè)備設(shè)計(jì)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(chǔ)厚度與赤道帶的壁厚具有明顯的差異性。為此技術(shù)人員針對(duì)設(shè)備進(jìn)行方案分析和考核過程中，不僅需要對(duì)球殼板最大總體數(shù)量進(jìn)行全面校正與考核，個(gè)別化工設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮薄膜應(yīng)力強(qiáng)度情況，并根據(jù)相關(guān)應(yīng)力情況確?；ぴO(shè)備更加可靠。

設(shè)計(jì)球形儲(chǔ)罐設(shè)備時(shí)使用應(yīng)力分析，不僅可以有效節(jié)省使用材料，減少經(jīng)濟(jì)成本的支出，一定程度上還可以提升市場(chǎng)的基礎(chǔ)競(jìng)爭(zhēng)能力，因此，從本質(zhì)上來看，此種參數(shù)應(yīng)力分析技術(shù)方式比常規(guī)方案設(shè)計(jì)方式來說更安全、更準(zhǔn)確以及更可靠，可以針對(duì)不同的工作狀態(tài)、不同的運(yùn)作情況、不同安全設(shè)計(jì)要求，對(duì)化工設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，確保設(shè)備整體性能。

對(duì)于壓力參數(shù)較高的設(shè)備來說，設(shè)備的數(shù)據(jù)分析和方案設(shè)計(jì)成為現(xiàn)階段較好的選擇，為此球形儲(chǔ)罐的整體應(yīng)力分析設(shè)計(jì)成為我國(guó)現(xiàn)代化設(shè)備發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。比如，對(duì)3000m3的球罐設(shè)備進(jìn)行參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jì)成本費(fèi)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(jì)成本控制效果十分明顯。對(duì)于球罐這種大型的設(shè)備和儀器來說，應(yīng)力分析技術(shù)可以對(duì)其開展整體化方案設(shè)計(jì)和技術(shù)分析，使用該技術(shù)針對(duì)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行全面評(píng)定，并且對(duì)于項(xiàng)目信息報(bào)價(jià)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 在換熱器整體分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

按照換熱器標(biāo)準(zhǔn)文件中明確指出，設(shè)備參數(shù)計(jì)算主要以設(shè)備基礎(chǔ)彈性信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)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(tái)，為此需要針對(duì)換熱管道以及管道連接端頭所產(chǎn)生的基礎(chǔ)參數(shù)以及拉脫力進(jìn)行全面評(píng)定。為了進(jìn)一步確保整體參數(shù)分析的精準(zhǔn)程度，一般情況下，需要使用標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。此外，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的直徑數(shù)據(jù)不能大于2600mm，同時(shí)，將設(shè)備設(shè)計(jì)壓力與直徑相互計(jì)算后，其公稱直徑不能大于4000mm。

針對(duì)以上設(shè)備拉脫力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和重復(fù)審核可以得知，在小直徑、應(yīng)用壓力較低的換熱設(shè)備進(jìn)行研究環(huán)節(jié)上，需要利用參數(shù)計(jì)算進(jìn)而獲得設(shè)備運(yùn)行的最大限度，但對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)壓力較高、設(shè)備直徑較大的換熱設(shè)備來說，如果采用上述參數(shù)分析方式，分析產(chǎn)生的結(jié)果同實(shí)際結(jié)果出現(xiàn)的誤差較大。

以某換熱設(shè)備作為實(shí)際案例，其設(shè)備3500mm管殼程直徑，3.5MPa設(shè)備管程壓力，0.7MPa設(shè)備殼程壓力，350℃設(shè)計(jì)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(yīng)力分析，從根本上保證設(shè)備質(zhì)量。除此之外，設(shè)備數(shù)值偏高的部分位置上如果無法滿足基礎(chǔ)評(píng)定需求，則需要按照常見數(shù)據(jù)計(jì)算，進(jìn)而有效通過此種模式開展全面計(jì)算。

同時(shí)，針對(duì)強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)計(jì)算，設(shè)備基礎(chǔ)拉脫力計(jì)算公式不僅需要對(duì)設(shè)備角焊縫進(jìn)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(duì)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(dǎo)致焊縫需要承受管板彎曲應(yīng)力、焊縫軸向載荷等，增加設(shè)備所承載壓力。故在進(jìn)行這類設(shè)備設(shè)計(jì)上，需要在相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)上，充分考量焊縫應(yīng)力情況，便于優(yōu)化焊縫，確?；ぴO(shè)備質(zhì)量。

2.3 加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)中應(yīng)用應(yīng)力分析

加氫反應(yīng)器整體分析設(shè)計(jì)過程中，考慮到反應(yīng)設(shè)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(shè)備的直徑和內(nèi)部強(qiáng)度厚度也相對(duì)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(jié)構(gòu)，才能保證設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)備塔器裙座連接結(jié)構(gòu)、密封端頭設(shè)計(jì)中，需要嚴(yán)格參照《塔式容器》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審核與校正，以便于從應(yīng)力角度綜合分析該設(shè)備性能情況，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，調(diào)整部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。

此外，加氫反應(yīng)設(shè)備在方案設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量水平，需要設(shè)置相應(yīng)隔氣圈，提升設(shè)備整體密封性，降低溫度急劇變化對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的影響，確保設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備整體性能，另外，考慮到設(shè)備尖銳突出部位，所承受應(yīng)力相對(duì)較高，因此，針對(duì)突出部位采用圓滑過渡設(shè)計(jì)方式，分散應(yīng)力，提升設(shè)備性能。由于加氫反應(yīng)設(shè)備殼體厚度相對(duì)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(yīng)力情況。因此，需要利用此種應(yīng)力分析技術(shù)對(duì)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力信息分析，進(jìn)而查看溫度具體分布情況，并且對(duì)于設(shè)備所產(chǎn)生的熱結(jié)構(gòu)耦合情況進(jìn)行分析，避免由于熱應(yīng)力影響，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞。在設(shè)計(jì)加氫反應(yīng)器時(shí)，需要考量到其存在硫化和再生工況，承受熱應(yīng)力影響較大，需要考慮設(shè)備疲勞應(yīng)力規(guī)律，并針對(duì)應(yīng)力規(guī)律調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

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