石 宁

(贵州理工学院 化学工程学院，贵州 贵阳 550003)

《化工设备机械基础》是化学工程与工艺专业本科生的一门专业必修核心课程[1-2]。通过对该门课程的学习，学生能够掌握化工设备的机械结构及机械设计基础知识，具备能够从事化工设备的设计、制造、检测、维修和管理所需具备的基本知识[2]。课程主要内容包括工程力学基础、化工设备材料、压力容器常规设计、塔设备、换热设备和机械搅拌反应釜等，其中化工容器设计是重点需要掌握的内容[3-4]。在此门课程的教学过程中，笔者发现，该门课程知识量大，知识点比较分散，理论与计算过程复杂，使得学生感到繁琐、枯燥且缺乏新鲜感，对课程的学习缺乏兴趣，从而在很大程度上影响了教学效果。特别地，由于学生缺乏工程设计经验，所以对化工设备的结构及相关参数缺乏基本认识，导致学生对本门课程的学习感到抽象和枯燥。目前国内诸多高校教师也都在如果提高本门课程的教学质量和教学效果上面做了大量的探索工作[5-7]。

另一方面，SW6软件包是化工部设备设计技术中心站编制的化工设备强度计算软件，其计算模型包含了GB150、GB151、JB4710和JB4731等一系列与压力容器、化工过程设备设计计算有关的国家标准、行业标准，在化工设备的设计工作中具有广泛的应用,并深受化工设备设计、制造、使用单位的欢迎，是目前大多数设计院进行容器常规设计必备的一款软件[8-10]。

将工程软件引入到课堂教学，是提高教学质量的一种[10]。为提高学生对《化工设备机械基础》课程学习的积极性和主动性，促使学生将理论知识与工程实践紧密结合，笔者在课程教学中引入了SW6软件，在各个章节结束后都利用SW6软件对典型的设备进行机械设计， 一方面让学生了解设计院设计容器的流程， 减少其对企业工作的神秘感， 深刻领悟目前所学并非"无用知识"， 进而提高其对设计环节的积极性，另一方面则通过对SW6软件使用中需要输入的各种参数的讲解，让学生对各种设备的基本参数有了直观的感性认识。笔者发现SW6软件的引入对《化工设备机械基础》的课程教学具有显著的提升作用。

下面，笔者将通过利用SW6软件辅助塔设备的设计计算，阐明SW6软件在辅助《化工设备机械基础》教学中的应用。

1 SW6软件辅助塔设备设计实例演示

1.1 设计任务

试利用SW6软件辅助设计一筛板塔。所需设计条件如下：

(1)设计压力2.0MPa，设计温度200℃。

(2)塔内径1600mm，塔筒体长度20m，塔板间距130mm。

(3)塔设备附件质量系数为1.2，塔内物料密度为700 kg/m3。

(4)裙座高度2m，裙座中部对向开2个DN450人孔，人孔短管厚度20mm，人孔短管伸出长度200mm。

(5)塔体保温层厚度100mm，扶梯当量宽度400mm，设四个操作平台，操作平台当量宽度500mm，塔顶管线φ219×6mm，塔顶管线保温层50mm。

(6)塔体选用Q345材料，裙座选用Q235-B钢。塔体和裙座的腐蚀裕量均取2mm，双面焊，全焊透，100%无损检测。

(7)塔设备安装与贵阳市室外，基本风压值300 Pa，地震烈度低于7度，地面类型A。

1.2 SW6软件辅助塔设备设计的参数输入与解析

1.2.1 启动塔设备程序后，首先新建文件，然后输入主体设计参数。为了简便，本塔设备筒体不分段，塔板集中分布于筒体部分，压力试验采用液压试验。其主体设计参数的输入如图1所示。在这里，可以给学生回顾压力试验的作用及试验压力要求。

图1 塔设备主体参数输入窗口

如图2所示，在这里需要输入的参数包括设计压力、设计温度、筒体内径、筒体长度、腐蚀裕量、纵向焊缝焊接接头系数、环向焊缝焊接接头系数、材料和试验压力，其中设计压力为2MPa，设计温度为200℃，筒体内径1200mm，筒体长度(高度)为20000mm。我们考虑焊缝都是双面对接焊、全焊透，且100%进行无损检测，所以焊接接头系数取1。试验压力指的是水压试验，其值通过公式计算确定：

筒体的名义厚度可以通过后面的计算确定，在这里不需要输入。

在这个部分，我们可以对同学们重新复习腐蚀裕量、名义厚度、焊接接头系数、材料种类、水压试验等知识点进行复习巩固，并加深学生对各种参数形成直观的认识。

图2 筒体数据输入窗口

塔板类型选筛板，塔板数根据工艺计算取152块(在这里我们根据塔的筒体高度20000mm和塔板间距取130，同时考虑塔釜液面高度及塔顶操作空间，所以计算出塔板数为152块)。每层塔板上物料厚度通常由溢流堰高度决定，溢流堰高度通常为30-50mm，这里我们取50mm。最低一块塔板距基础的高度是裙座高度加上塔釜液面高度，在这里裙座高度是2000mm，而塔釜液面高度根据操作决定，这里取200mm，所以最低一块塔板距离基础高度为2200mm。最高一块塔板距离基础高度是最低一块塔板距离基础高度加上所有塔板的间距，所有计算出来为21830mm。

通过这部分输入参数的讲解和演示，让学生对塔内件的结构有了深入认识。具体输入数据如图3所示。

图3 塔板内件的参数输入窗口

如图4所示，在这里需要输入的数据包括介质密度、塔釜液面高度、塔体保温层厚度、塔体保温层密度、最大管线外径、管线保温层厚度、塔体上平台总个数、塔体上最低平台距基础的高度、塔体上最高平台距离基础的高度、平台宽度、平台包角和扶梯与最大管线的相对位置。这些参数主要是用于计算操作质量载荷及风弯矩。其中介质密度我们通常比水轻，所以这里我们输入700kg/m3(真正设计时需要根据物料密度来输入，此处仅作简化)。塔釜液面高度需要根据工艺计算确定，我们输入200mm。塔体保温层我们输入100mm。保温层密度较轻，可以查相关手册，我们这里输入200kg/m3。关于最大管线外径数据输入，需要注意最大管线是从塔顶引出的出气管，通常布置在塔侧。这里选用φ219×5的无缝钢管，所以外径为219mm。管线保温层厚度取100mm。塔体上平台是用于工人检修和操作，在这里我们假设塔体上均布4个操作平台，每个间距5000mm。最低操作平台距离基础的高度为3000mm，最高操作平台距离基础高度则为18000mm。平台宽度500mm，以便能够并行通过两个人，平台包角360o。扶梯与管线相对位置是用于计算有效迎风面积，有90°布置和180°布置两种，我们这里选用180°布置。

通过这部分输入参数的讲解和演示，学生能够对塔设备的塔体保温层、管线、操作平台、扶梯等结构有感性认识，同时对塔体中对有效迎风面积有关的参数有深入了解。

图4 附件的参数输入窗口

此处我们选用最为常用的标准椭圆封头。如图5所示，需要输入的数据包括液柱静压力、焊接接头系数、腐蚀裕量、封头类型、封头材料、封头曲面深度、封头直边高度。液柱静压力为塔内充满水时的液柱静压力，因为塔高20m，所以液柱静压力0.2MPa。焊接接头系数同样取1，腐蚀裕量同样取2。材料取Q345R。标准椭圆封头的曲面深度是直径的四分之一，所以这个地方为400mm。封头直边高度由壁厚决定，这个地方取40mm。

这个部分输入参数的讲解，能够加深学生对液柱静压力、封头种类、标准椭圆封头的形状等知识的理解。

在上封头的参数输入完成之后，我们可以对其壁厚进行基本计算。如图6所示，计算结果提示椭圆封头的名义壁厚为12mm。同时考虑到椭圆封头的名义厚度与筒体的名义厚度几乎相等，所以我们在筒体参数中输入筒体名义厚度为12mm。

图5 上封头的参数输入窗口

1.2.6 载荷参数输入

如图7所示，此处需要输入的参数包括偏心载荷、塔设备附件质量系数、基本风压值、地震设防烈度、地面粗糙度类别、场地类型、设计地震分组。这里为了简便，不设置偏心载荷。塔设备附件质量系数指的是塔上所有的接管、管线、平台梯子、还有塔盘上的物料及填料重量等等的附件质量，一般是取1.2～1.25，在这里我们取1.2。基本风压值考虑安装地点在贵阳，查表确定基本风压值为300N/m2。其他参数可以参考教材进行输入，不再赘述。

图7 载荷参数输入窗口

裙座是塔设备所特有的支撑方式，是塔设备设计的核心。因为裙座的底截面和最大开孔中心截面的弯矩引起的应力较大，所以这两个截面是危险截面。

关于裙座参数的输入，分为裙座数据(1)窗口、裙座数据(2)窗口、裙座数据(3)窗口。图8 是裙座数据(1)窗口中需要输入裙座主体的数据，包括基础类型、裙座与筒体的连接方式、裙座结构、基础高度、裙座总高、裙座设计温度、裙座底截面内径、裙座名义厚度、裙座腐蚀余量、裙座材料、裙座防火层厚度和密度、裙座与筒体连接段材料及腐蚀余量。需要注意，裙座与筒体连接方式有对接和搭接，但是对接的力学性能好于搭接；裙座名义厚度通常可以取与筒体厚度相等，裙座材料通常为Q235-A或Q235-B。

如图9所示，裙座数据(2)窗口中需要输入的数据包括裙座上同一高度处较大孔(包括人孔)个数、裙座上较大孔中心线高度、较大孔引出管水平方向内径及名义厚度、较大孔引出管长度。这部分的数据是用于计算裙座上人孔截面处的截面面积及截面抗弯模量，从而计算此处由质量载荷、风载荷、地震载荷在此截面所产生的应力。在这里，我们考虑裙座中部对向开两个DN450的人孔，人孔中心距离基础高度1000mm。人孔短管厚度20mm，引出长度200mm。

图8 裙座数据(1)输入窗口

如图10所示，裙座数据(3)窗口需要输入的数据如图所示。GB150规定地脚螺栓公称直径最小为24mm。我们先按最小值取。地脚螺栓个数为4的倍数，我们先取16个地脚螺栓。地脚螺栓材料常用的是Q235和Q345，我们选择Q235。基础环板内径和外径通常取Di±100～200mm，这里面软件直接推荐了1432和1792mm。GB150规定基础环板最小厚度为16mm，我们直接选用最小厚度。其他数据均选用SW6软件所推荐的参数。

图9 裙座数据(2)输入窗口

1.3 SW6软件辅助塔设备设计的结果解析

基本参数输入完成后，可以通过对塔体和裙座进行强度计算与校核。因为塔设备设计中塔体与裙座是在一个模块中，所以需要先计算封头的名义壁厚，并且据此确定筒体的名义壁厚，再进行塔体与裙座的强度计算和校核。

塔体与裙座的强度计算结果包括内压圆筒与封头应力校核、裙座壳轴向压力校核、裙座壳最大引出管截面应力校核、裙座与壳体连接段底截面应力校核、裙座壳与塔壳焊接截面应力校核、基础环板应力计算与厚度设计、地脚螺栓应力计算与直径设计。其中各个地方的校核不合格时，需要修改相关地方的参数。比如此实例中显示"基础环厚度校核不合格"，所以需要增加基础环板厚度，以便使基础环板能够承受更大的载荷。计算通过后，软件可以生成设备设计说明书，说明书包含了详细的计算过程，学生可以生成的计算说明书中详细查看计算过程，从而结合实例加深对塔设备的设计过程的掌握。

2 结论

本文将SW6软件应用到《化工设备机械基础》的课堂教学环节，并采用SW6软件对板式塔设备进行设计举例，详细讲解SW6辅助塔设备设计时的数据输入过程，分析各个设计参数的含义及其对塔设备设计的影响，一方面让同学们掌握了SW6的使用，另一方面也让同学们对塔设备的设计参数有了深入的理解。可以看到，采用SW6设计的过程中，学生可将所学知识点如设计温度、设计压力等参数的选取、压力容器选材、壁厚计算公式、弯矩计算、应力组合计算等系统化，梳理设计思路，并将所学理论知识进行延伸，并促使学生将理论知识同工程设计紧密结合起来，学以致用，激发学习热情。