SW6 軟件在《化工設備機械基礎》課程教學中的應用

石 寧

(貴州理工學院 化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

《化工設備機械基礎》是化學工程與工藝專業本科生的一門專業必修核心課程[1-2]。通過對該門課程的學習，學生能夠掌握化工設備的機械結構及機械設計基礎知識，具備能夠從事化工設備的設計、制造、檢測、維修和管理所需具備的基本知識[2]。課程主要內容包括工程力學基礎、化工設備材料、壓力容器常規設計、塔設備、換熱設備和機械攪拌反應釜等，其中化工容器設計是重點需要掌握的內容[3-4]。在此門課程的教學過程中，筆者發現，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計經驗，所以對化工設備的結構及相關參數缺乏基本認識，導致學生對本門課程的學習感到抽象和枯燥。目前國內諸多高校教師也都在如果提高本門課程的教學質量和教學效果上面做了大量的探索工作[5-7]。

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

將工程軟件引入到課堂教學，是提高教學質量的一種[10]。為提高學生對《化工設備機械基礎》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合，筆者在課程教學中引入了SW6軟件，在各個章節結束后都利用SW6軟件對典型的設備進行機械設計， 一方面讓學生了解設計院設計容器的流程， 減少其對企業工作的神秘感， 深刻領悟目前所學并非"無用知識"， 進而提高其對設計環節的積極性，另一方面則通過對SW6軟件使用中需要輸入的各種參數的講解，讓學生對各種設備的基本參數有了直觀的感性認識。筆者發現SW6軟件的引入對《化工設備機械基礎》的課程教學具有顯著的提升作用。

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

1 SW6軟件輔助塔設備設計實例演示

1.1 設計任務

試利用SW6軟件輔助設計一篩板塔。所需設計條件如下：

(1)設計壓力2.0MPa，設計溫度200℃。

(2)塔內徑1600mm，塔筒體長度20m，塔板間距130mm。

(3)塔設備附件質量系數為1.2，塔內物料密度為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軟件輔助塔設備設計的參數輸入與解析

1.2.1 啟動塔設備程序后，首先新建文件，然后輸入主體設計參數。為了簡便，本塔設備筒體不分段，塔板集中分布于筒體部分，壓力試驗采用液壓試驗。其主體設計參數的輸入如圖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 塔設備主體參數輸入窗口

如圖2所示，在這里需要輸入的參數包括設計壓力、設計溫度、筒體內徑、筒體長度、腐蝕裕量、縱向焊縫焊接接頭系數、環向焊縫焊接接頭系數、材料和試驗壓力，其中設計壓力為2MPa，設計溫度為200℃，筒體內徑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、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形成直觀的認識。

圖2 筒體數據輸入窗口

塔板類型選篩板，塔板數根據工藝計算取152塊(在這里我們根據塔的筒體高度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，這里我們取50mm。最低一塊塔板距基礎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操作決定，這里取200mm，所以最低一塊塔板距離基礎高度為2200mm。最高一塊塔板距離基礎高度是最低一塊塔板距離基礎高度加上所有塔板的間距，所有計算出來為21830mm。

通過這部分輸入參數的講解和演示，讓學生對塔內件的結構有了深入認識。具體輸入數據如圖3所示。

圖3 塔板內件的參數輸入窗口

如圖4所示，在這里需要輸入的數據包括介質密度、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、塔體上最低平臺距基礎的高度、塔體上最高平臺距離基礎的高度、平臺寬度、平臺包角和扶梯與最大管線的相對位置。這些參數主要是用于計算操作質量載荷及風彎矩。其中介質密度我們通常比水輕，所以這里我們輸入700kg/m3(真正設計時需要根據物料密度來輸入，此處僅作簡化)。塔釜液面高度需要根據工藝計算確定，我們輸入200mm。塔體保溫層我們輸入100mm。保溫層密度較輕，可以查相關手冊，我們這里輸入200kg/m3。關于最大管線外徑數據輸入，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。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的高度為3000mm，最高操作平臺距離基礎高度則為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。

通過這部分輸入參數的講解和演示，學生能夠對塔設備的塔體保溫層、管線、操作平臺、扶梯等結構有感性認識，同時對塔體中對有效迎風面積有關的參數有深入了解。

圖4 附件的參數輸入窗口

此處我們選用最為常用的標準橢圓封頭。如圖5所示，需要輸入的數據包括液柱靜壓力、焊接接頭系數、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。

這個部分輸入參數的講解，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中輸入筒體名義厚度為12mm。

圖5 上封頭的參數輸入窗口

1.2.6 載荷參數輸入

如圖7所示，此處需要輸入的參數包括偏心載荷、塔設備附件質量系數、基本風壓值、地震設防烈度、地面粗糙度類別、場地類型、設計地震分組。這里為了簡便，不設置偏心載荷。塔設備附件質量系數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量，一般是取1.2～1.25，在這里我們取1.2。基本風壓值考慮安裝地點在貴陽，查表確定基本風壓值為300N/m2。其他參數可以參考教材進行輸入，不再贅述。

圖7 載荷參數輸入窗口

裙座是塔設備所特有的支撐方式，是塔設備設計的核心。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。

關于裙座參數的輸入，分為裙座數據(1)窗口、裙座數據(2)窗口、裙座數據(3)窗口。圖8 是裙座數據(1)窗口中需要輸入裙座主體的數據，包括基礎類型、裙座與筒體的連接方式、裙座結構、基礎高度、裙座總高、裙座設計溫度、裙座底截面內徑、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，裙座數據(2)窗口中需要輸入的數據包括裙座上同一高度處較大孔(包括人孔)個數、裙座上較大孔中心線高度、較大孔引出管水平方向內徑及名義厚度、較大孔引出管長度。這部分的數據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，從而計算此處由質量載荷、風載荷、地震載荷在此截面所產生的應力。在這里，我們考慮裙座中部對向開兩個DN450的人孔，人孔中心距離基礎高度1000mm。人孔短管厚度20mm，引出長度200mm。

圖8 裙座數據(1)輸入窗口

如圖10所示，裙座數據(3)窗口需要輸入的數據如圖所示。GB150規定地腳螺栓公稱直徑最小為24mm。我們先按最小值取。地腳螺栓個數為4的倍數，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。基礎環板內徑和外徑通常取Di±100～200mm，這里面軟件直接推薦了1432和1792mm。GB150規定基礎環板最小厚度為16mm，我們直接選用最小厚度。其他數據均選用SW6軟件所推薦的參數。

圖9 裙座數據(2)輸入窗口

1.3 SW6軟件輔助塔設備設計的結果解析

基本參數輸入完成后，可以通過對塔體和裙座進行強度計算與校核。因為塔設備設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果包括內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、基礎環板應力計算與厚度設計、地腳螺栓應力計算與直徑設計。其中各個地方的校核不合格時，需要修改相關地方的參數。比如此實例中顯示"基礎環厚度校核不合格"，所以需要增加基礎環板厚度，以便使基礎環板能夠承受更大的載荷。計算通過后，軟件可以生成設備設計說明書，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，從而結合實例加深對塔設備的設計過程的掌握。

2 結論

本文將SW6軟件應用到《化工設備機械基礎》的課堂教學環節，并采用SW6軟件對板式塔設備進行設計舉例，詳細講解SW6輔助塔設備設計時的數據輸入過程，分析各個設計參數的含義及其對塔設備設計的影響，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備的設計參數有了深入的理解。可以看到，采用SW6設計的過程中，學生可將所學知識點如設計溫度、設計壓力等參數的選取、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化，梳理設計思路，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計緊密結合起來，學以致用，激發學習熱情。