化工设备设计计算过程中应注意的问题
邵拥军*逯凯霄
天津市普莱特科技发展有限公司华北制药集团爱诺有限公司
河北工业大学化工学院
天津300384
石家庄052165天津300130
张文林
摘要关键词
总结应用SW6－1998软件进行设备计算过程中一些容易混淆的问题，避免由于设计人员计算失误化工设备
SW6－1998计算软件
标准规范
而发生安全事故。
在石油化工装置设备进行结构设计之前，首先要应用SW6－1998计算软件对设备各受压元件进行强度计算。为了保证计算的准确性，必须透彻理解SW6－1998软件计算的理论基础，但在实际工作中，一些设计者常常会忽视标准规范中的某些说明而导致取值错误，直接影响了设备的安全可靠性。下面是几种在设计计算中常被忽视或误解的问题，提醒设计者在设计工作中引起重视。
和180ʎ 两个选项，计算时可根据工艺配管实际情况进行选择。通常在设备第一次计算时，笼式扶梯与塔顶管线的相对位置尚未确定，此时正确的做法应该是按扶梯与最大管线布置成180ʎ 计算比较安全。因为按钢制塔式容器（JB /T4710－2005）要求，当扶梯与最大管线的相对位置为180ʎ 时的有效直径应考虑其最大受风面，即应考虑上扶梯与最大管线外径之和，而相对位置为90ʎ 时，就应分别考虑了，即扶梯与最大管线分别为受风面时的受风面宽度，取其较大值。但是这个相对位置只有工艺配管完成后才知道，所以为了安全起见在第一次计算时应按180ʎ 考虑。
1
塔器计算中的最大管线外径和扶梯与最大管线的相对位置
SW6－1998软件中的最大管线外径是指塔器顶部封头上接管的最大外径，一般就是气体出口管。出气管直接影响塔体受风直径的大小，而不是塔体上最大接管直径。有些设计人员对于计算公式不了解，所以在输入数据时输入的是整个设备的最大接管外径（通常都是人孔、卸料孔等）或者输入人孔筒节的外径。所以要想正确输入这些数据，首先应了解计算公式中每个符号的内在含义。
文献1中介绍，当计算各计算段的顺风向水平风力时，需要先确定各计算段的有效直径D ，塔顶管线一般都会有接管从塔顶部下来，当笼式扶梯与从塔顶下来的管线布置成180ʎ 时，迎风面的有效直径D 最大，顺风向水平风力也就最大，此时的计算最安全。详细的计算公式可参见钢制塔式容器（JB /T4710－2005）中的式（8－17）－20）。
（8
2
2. 1
开孔补强
圆筒上接管开孔补强计算时开孔直径的取值在压力容器设计中，一般圆筒上可有三个方
向的接管，即径向接管、斜向接管和切向接管。对斜向接管和切向接管情况，壳体上开孔为椭圆和卵圆。由于受内压圆筒中的环向应力是轴向应力的两倍，而环向应力作用的是纵向截面，因此，当圆筒具有长圆形开孔时，其开孔长轴方向与圆筒轴线垂直时具有较小的应力集中系数。
圆筒上非圆形开孔计算直径的取法应以开孔的补强截面为依据进行认定。因为圆筒计算厚度时根据环向薄膜应力的截面进行考虑，由此认定圆筒开孔截面应是与圆筒轴线相平行的纵向截面，则开孔计算直径为孔沿纵截面方向的直径。
扶梯与最大管线的相对位置计算软件中有90ʎ
*
邵拥军：工程师。1996年毕业于河北工业大学精细化工专业。从事化工设计工作。联系电话：（022）60202246，E －mail ：ctstsyj@163. com 。
2. 2接管开孔补强计算时实际外伸长度的取值在进行开孔补强计算时，输入接管实际外伸
环向应力，而忽略了筒体的经向应力，使得计算
数据与实际情况大相径庭。筒体的计算厚度是根据环向应力计算得来的。当两孔不在同一轴线上时，所需补强面积应考虑经向应力的影响而加入应力校正系数：
F =0. 5（cos 2α+1）
长度常出现两种理解错误：①将带管法兰的长度作为实际外伸长度；②将厚壁管的长度作为实际外伸长度。第一种情况当采用厚壁管补强并带有长颈对焊法兰时，错误尤为严重，会导致计算通过而造成实际补强面积不足而引发安全问题。因为接管实际外伸长度应理解为能等效提供补强面积的那部分接管的外伸长度，而不应计入承担密封功能的法兰高度，也不应计入接管削薄部分
［3］
加入这一系数是因为根据壳体无力矩理论求
得的筒体经向应力是环向应力的两倍，所以其分别计算出的计算厚度也差两倍，则壳体所需补强面积也是不同的。
（1）当两孔在筒体同一轴线上时，其α角为0ʎ ，带入应力校正系数F 中得：
F =0. 5（cos 20+1）=1
。
以上两种错误均可能造成计算通过而实际上补强面积不足的问题。
最简单有效的办法是无论有效外伸长度是多少，都取厚壁管未切削部分长度为实际外伸长度，这样就能保证只要实际外伸长度大于等于有效外伸长度且补强面积合格而保障设备的安全。2. 3
接管开孔补强时有效宽度B 值的选取现假设接管开孔直径为d ，壳体及接管厚度分别为δn 、δnt ，则按钢制压力容器（GB 150－1998）中壳体有效补强宽度：
B =MAX （2d ，d +2δn +2δnt ）
即联合补强面积按环向应力进行分析。
（2）当两孔在筒体同一高度上时，其α角为90ʎ ，带入应力校正系数F 中得：
F =0. 5（cos 290+1）=0. 5
即联合补强面积按经向应力进行分析。（3）当任意角度时：
F =0. 5（cos 2α+1）
所以α角是必须输入的数据（只有当两孔同一轴线时可以不输入）。
式中，B 为壳体有效补强宽度；MAX 为取两个值中的大值；σn 为壳体厚度；σnt 为接管厚度。而在实际设计过程中很容易发生的情况是，接管一侧或两侧的补强宽度达不到GB 150－1998中的有效补强宽度，这点如果被忽略，即使计算书中显示这个接管满足补强要求，而实际情况可能不满足，因为计算书中的有效宽度大于实际设计的有效宽度，从而使这个接管存在安全隐患。这种情况在换热器的管箱设计中很容易发生，由于换热器管箱受到工艺限制，管箱不得加长，筒体补强有效宽度达不到GB 150－1998中的要求，遇到这种情况则应该根据图纸计算出补强宽度，再用此宽度进行接管的补强计算，这样才能使接管的补强安全可靠。2. 4
多个孔的联合补强计算
当筒体上任意两个相邻开孔的中心距小于两孔平均直径的两倍时，即应进行联合补强，采用联合补强计算时，SW6中即会出现两个输入框：①联合补强两孔中心线间距C ；②两孔中心连线平面与壳体母线的夹角α。如果只输入两孔中心距，而不输入夹角α，这样的计算结果是只考虑了筒体
3卧式容器计算中鞍座宽度a 的取值
在SW6－1998软件的卧式容器计算模块中a 是要输入的鞍座宽度，其鞍座数据输入对话框中的a 标在鞍座的底板处，很多设计者误认为应输入底板宽度，而实际上鞍座计算的理论依据是标准钢制卧式容器（JB 4731－XX ），该标准明确指出鞍座宽度是用于计算圆筒的有效宽度，而有效宽度用于计算鞍座处圆筒的周向应力。从而得知，计算软件中要输入的鞍座宽度数值应为鞍座与圆筒接触处的鞍座轴向宽度，而不应取鞍座的底板宽度。对于鞍式支座（JB 4712－92）应取鞍座与圆筒接触处的鞍座轴向宽度值，这样才能正确地反映钢制卧式容器（JB 4731－XX ）标准的计算理论。
4夹套设备的内筒壳体外压加强圈的计算
夹套设备的内筒壳体设计计算分两部分进行，第一部分是圆筒外压校核；第二部分是加强圈设计计算。在利用SW6－1998软件进行加强圈设计计算且夹套间隙较小时，无论如何增加加强圈的数量，其计算结果都不能通过，或是退出计算或
是要求在水压试验时对内筒保压。原因是夹套间
隙小，加强圈的高度不够。对于常用的扁钢，L 0=bh 3/l2，即惯性矩与扁钢高度的立方成正比。当夹套间隙较小时，h 值较小，使计算结果不能通过。需要注意的另一问题是h 与b 之比应大于5。由于计算软件没有提示，易使设计者困惑。
但是与法兰或外面管道连接时应对锻件进行削薄，
［7］
此时应特别注意应使削薄处的厚度满足强度计算。在用软件计算时，只是计算了锻件的厚度满足要求，并用多余的面积进行补强，而削薄后的厚度是设计人员自己确定的，首先应使其外径可以与外部管道的法兰易于连接；其次是使接管削薄后的有效厚度大于接管的计算厚度。由于计算书中没有体现出这点，所以实际设计时要注意接管削薄后的厚度应大于接管计算厚度加腐蚀裕量（锻件无负偏差）。
5
5. 1
换热器计算
未按规定输入换热管受压失稳当量长度
在换热器计算时输入的换热管受压失稳当量长度Lcr ，常常给出一个大点的数值，而不按管壳式换热器（GB 151－1999）规定计算，这是不对的。因为在管壳式换热器（GB 151－1999）中图32中Lcr 的数值是将换热管作为压杆，换热管与管板的连接端视为固支端，折流板支承处视为铰支端，即按材料力学压杆的理论计算得出的，所以应据此输入正确的数值才能保证管板计算结构的正确。5. 2
管板与管板法兰厚度之差
对于管板其延长部分兼作法兰的，SW6－1998中有一项为管板与管板法兰厚度之差，很多设计人员不输入数据，或者不论管板的结构如何只是输入一个固定的数值，比如4mm ，这都是不对的，由管壳式换热器（GB 151－1999）中图18可知，管板的厚度为δ，管板兼作法兰的厚度为δ3，所以管板与管板法兰厚度之差为δ－δ3，即为δ1+δ2。其中δ1、δ2分别为兼作法兰的管板两侧切削掉的厚度。所以厚度之差与管板的结构形式有很大的关系。如果在此不输入数据，软件就会默认管板法兰与管板的厚度一致，而实际情况则是管板法兰的厚度小于管板的厚度，这样就会存在安全隐患。
7结语
由于对常用标准规范缺乏正确理解，导致数据输入有误，又充分依赖电算，只看结果，忽略计算过程，容易产生错误结论和安全隐患。因此，设计人员应充分考虑压力容器的设计参数、标准要求、介质特性和设备的安装使用环境，重视压力容器设计过程中的某些细节问题，计算时严格校审选用的模块、输入的数据、输出的结果，详细检查计算书的每一个数据是否正确，确保其符合钢制压力容器（GB 150－1998）等标准规范计算的本意。
参
1234567
考文献
GB l50－1998，钢制压力容器［S ］．北京：中国标准出版社，1998．
JB /T4710－2005，钢制塔式容器［S ］．北京：新华出版社，2005．王
M ］．北非．化工压力容器设计－方法、问题和要点［京：化学工业出版社，2005．
JB /T4731－2005，钢制卧式容器［S ］．北京：新华出版社，2005．
JB 4712－92，鞍式支座［S ］．北京：新华出版社，2005．．北京：中国标准出版GB 151－1999，管壳式换热器［S ］社，1999．
．北京：化学工业出版丁伯民，黄正林．高压容器［M ］社，2003．
（收稿日期2012－04－13）
6接管削薄后的厚度
对于设计压力较高的容器，为了满足开孔补
强的要求而使接管为锻件。锻件一般都比较厚，
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿
? 下期要目?
·IFV 气化器的胀接工艺及控制·塔器的管道设计
2012，22（5）ABSTRACTS OF CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
1
ABSTRACTS
Overall Strengthening of Hazardous Chemicals Safety Design
Management Work
Liu Qiang
（State Administration of Work Safety ，Beijing 100013）Choice of Drying Method and Application of Flash Dryer
in Titanium Dioxide Production
Tang Wenqian
（CNOOC Shandong Chemical Engineering Co . ，Ltd . ，Jinan 250013）
This paper describes the belt ，spray and rotary flash drying methods used in the drying section of industrial production of titanium dioxide．Based on the comparison of energy consumption ，product quality ，operating environment and other aspects ，the theoretical derivation of the product particles dp by the recommended rotary flash drying method is also presented in this paper．This paper puts forward the heat recovery from flash dryer outlet gas and other energy-saving
measures．
Key words titanium dioxide dryer production method energy-saving technology The Problems Needing Attention in Chemical Equipment
Design Calculations Shao Yongjun ，et al
（Tianjin Plate Technology ＆Development Co．Ltd . ，Tianjin 300384）
This article summarizes some problems which are probably confusing during equipment calculation by use of SW6-1998software so as to
avoid safety misadventure due to miscalculation of designers．Key words chemical equipment design SW6-1998calculation
software codes and standards
Study of Nitrogen Supply Amount Calculation Method
in Nitrogen Blanketing Design
Xu Dingwang
（Jiangxi Chemical Industry Design Institute ，Nanchang 330002）For more reasonable calculation of the nitrogen supply amount in nitrogen blanketing system ，with engineering examples ，this paper presents the composition of nitrogen blanketing system and the calculation method of the nitrogen gas supply amount．Under certain conditions ，this method can reduce the amount of nitrogen gas supply ，the equipment investment and operating costs．
Key words nitrogen blanketing design nitrogen supply amount calculation method Discussion on Application of Mechanical Vapor Recompression Salt Production Technology Applied to Calcium Type Brine
Chang Zhiyong
（Jizhong Energy Group Huining Chemical Co . ，Ltd . ，Ningjin 055550）
This paper presents the mechanical vapor recompression salt production process technology applied to the calcium type brine for the first time ，which enhances the equipment level of industrial salt production ，reduces the steam consumption ，lowers investment and production costs as well as increases the product competitiveness．Key words mechanical vapor recompression industrial salt production energy saving and consumption reducing
Economic and Technical Comparison of Shell Pulverized Coal Gasification Carbon Monoxide Shift Conversion Process Technology
Wu Yanbo
（Sinopec Ningbo Engineering Co . ，Ltd . ，Ningbo 315103）
This paper elaborates the three carbon monoxide shift conversion processes supporting for Shell pulverized coal gasification process ：
high water /gasratio process ，low water /gasratio process and low water /gasratio combined with medium water /gasratio process．In this paper the three processes are analyzed and compared from the main technical parameters ，energy consumption ，equipment investment and the operational stability．
Key words carbon monoxide shift conversion high water /gasratio low water /gasratio
Process Design Study of Zero Consumption of External Steam Supply for Shift Conversion Unit of Ammonia Plant
Based on Coal Gas of Shell WHB Process Flow
Zhou Mingcan ，et al
（China Wuhuan Engineering Co . ，Ltd . ，Wuhan 430223）
This paper presents the coal gas of Shell waste heat boiler process flow used for ammonia plant production and the common way of waste heat recovery of shift conversion unit as well as the methods of realizing zero consumption of external steam supply．
Key words Shell coal gas CO shift conversion isothermal shift conversion reaction zero steam consumption
New Method of Coke Oven Gas Making Startup Steam
for Methanol Plant Yu Hong ，et al
（Sichuan Tianyi Science and Technology Co . ，Ltd . ，Chengdu 610041）
Taking a plant as an example ，this paper describes the newly-built
methanol plant based on coke oven gas ，in case there is no external steam supply ，the startup steam conforming with the requirements can be generated by burning the coke oven gas for use of the whole plant startup ，by means of the auxiliary burners installed inside the integrated heater of reforming section and cooperated with its steam generating section ，flue gas overheating section and flue gas steam drum．
Key words coke oven gas methanol startup steam waste heat recovery
Safety Design Experience of Vacuum Distillation System
in Combustible Medium Environment
Wang Fuming ，et al
（Shanghai HuaYi Engineering Corporation Ltd . ，Shanghai 200235）This paper describes the design process of the medium explosion-proof and the safety relief system in the vacuum distillation system under combustible medium environment．By introducing the inert gas to reach the medium explosion-proof requirements ，the appropriate
safety relief facilities are installed to prevent the system overpressure under emergency conditions．
Key words combustible medium vacuum distillation safety design
Research and Analysis of Calculation Method of Natural
Foundation Settlement for Large Storage Tank
Zhang Suzhi ，et al
（China Huanqiu Contracting ＆Engineering Corporation ，Beijing 100029）
This paper analyzes and compares the applicability of three common foundation settlement calculation methods used in large storage tanks foundation ，i．e．the unidirectional compression layer aggregate
3D settlement calculation method and finite element method．method ，
This paper takes a large storage tank as an example to make a detailed calculation and compares the results．
Key words large storage tank natural foundation settlement Latticed Shell Structure Optimization Design Based on the Whole Phases Analysis of LNG Storage Tank Roof Construction
Cao Lihui ，et al
（China Huanqiu Contracting ＆Engineering Corporation ，Beijing 100029）
According to the reasonable construction procedures ，load