应力分析在化工设备设计上的应用

张博，雷梦龙

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

化工设备需要严格按照设计标准进行设计，并在相关设计标准选择上，可以从材料、变化、容器类型等多要素进行考虑，以便于选择适合设备运转实际情况的设计标准阐述和信息，并且在保证质量的前提下，节约设备制造费用。由于应力分析设计实际开展过程中，对于信息模型、设计时间、材料应用以及设备生产等方面要求较高，为此设备壁厚可适当减薄，所以设备实际制造过程可节约材料费用和投资。

1 应力分析技术概况

现阶段，我国国内设计压力容器设备主要分为标准设计模式和应力分析设计模式，针对不同应用标准选择适合的操作方案文件，一般在考量容器应力时，主要参照GB150标准文件，该标准文件从弹性失效方面对容器应力进行分析，并根据第一强度理论标明设备相关参数，包括内部厚度等，实现从内至外的应力相等，为此只要筒壁基础厚度内部应力达到材料的标准极限数值，其材料则会失去应有的效果。

在化工设备方案设计实施过程中，应力分析技术是指对事物物理性能研究的仿真数据模型，应力分析过程中，需要对物理参数进行分析，分解多个模型组成要素，使用有限元法；对于相对简单的筒状结构体等相关结构，使用数据分析技术方式相对比较简单和便捷，此种分析方式应用在设备设计中，便于分析设备具体性能，以便于从物理参数修正入手，提升设备性能，如果单纯使用解析技术方式获得结论则相对比较烦琐，针对此种十分复杂的工作状况进行计算时，则需要凭借有限元软件，便于借助专业的软件实现设备性能综合分析。有限元软件可以实现快速性能的分析，且根据分析结果进行网格规划，并设置边界基础条件，修改调整设备相关参数，确保可以获得满足荷载设计目标的设备。

应力分析作为设备加工设计重点，采用动态应力分析手段，可以对设备瞬态响应等情况进行分析，便于针对设备存在的不足，从参数调整角度入手，进行相应设备调整。并确保系统可以正常开展信息数据模拟建立。应力分析技术已经在各个行业得到了全面发展，由于进一步减少设备内部强度基础厚度，则相应减少了材料使用支出，为此该技术被更多的专业人员使用，进而由最初的现场建设及模式发展至现阶段数据分析和方案设计。其中最初的方案设计和参数计算，会由于计算机配置和软件节点约束，导致参数分析方式在小范围内使用较为适宜。随着高科技技术不断宣传和推广，其方案设计和设备制造均得到了认可。除此之外，计算机参数软件的智能化和系统化，让更多的设计人员不再陷入系统软件处理问题和失误中，同时，随着软件升级和优化，让设计人员可以在后续方案设计上投入更多精力，确保化工设备设计质量。

应力分析技术可应用于设备设计性能分析上，为了更好地解决系统实际运转问题，使方案设计既可以保证基础的环保性能，还可以在一定程度上提升设备安全性，技术人员需要不断完善以及改革应力分析技术，能够及时发现系统计算方式存在的问题，并且制定出相关应对策略，比如，系统运算的强度理论由第三强度理论变为第四强度理论，这样不仅可以对应力种类的计算方法进行全面补充和提高，在一定程度上还可以对方案涉及的安全性得到修正，成为现阶段应力分类方法基础验证结构。

应力分析手段可以及时发现化工设备设计中存在的不足，并便于借助专业的系统对存在的不足之处进行修正，可以有效防止方案设计产生不足和问题。为此需要针对多工况载荷情况，展开荷载情况分析，掌握化工设备具体性能情况。由于应力分析可以分析化工设备性能情况，还可以为后续设备性能提高提供支持，因此，相关技术人员需要针对化工设备运行温度、最大荷载、运行劳损等情况进行分析，便于全面提升化工设备设计质量。

2 化工设备设计中应力分析应用

2.1 球罐整体性能提升中应力分析

2.1.1 球罐整体的普遍设计

由于球罐支柱结构和球壳连接位置基础受力状态十分复杂且多变，所以系统应力参数数据相对较高，其系统相应荷载、应成力等情况变化较大，分析球罐高应力区域、低应力区域，分析球罐受力情况，按照应力情况进行方案设计，针对球罐进行数据计算以及A点校正与审核，其主要是利用数据公式技术计算方式。

其中数据计算的基础要求需要纬向参数应力以及系统剪切应力等相互组合，并且该参数需要始终小于材料基础应力才能进一步满足系统基础评定要求。由此可见，在球罐整体的普遍设计上，其弹性失效标准不能出现结构塑性形变问题，如果设备内部结构数据产生了塑性形变问题，则被视为球罐内部结构失去应有效果。

由于应力分析主要应用在化工设备与材料分析上，按照相关设备内部薄膜理论，对设备安全性进行分析，由于基础应力不能进行种类划分，为此设备方案设计人员需要在基础参数计算等基础条件上综合考虑设备基础腐蚀余量以及材料偏差，随后进行设备内部厚度调整，结合安全系数要求，增加2～3mm化工设备内部安全水平余量。球壳板壁结构相对复杂，由于其结构特点，使得其承受的荷载与应力来自多个方向，且球壳板、盖板连接处应力强度发生变化较大，因此，需要选取多个测试点进行应力分析。

2.1.2 基于整体和局部计算的分析设计

针对球罐整体应用以及结构布局数据进行计算，

在进行相关布局与结构参数设计上，需要充分考虑材料、长期使用因素对球罐应力产生的影响，还需要重视数据计算方式的全面优化；该数据分析和方案设计在相关标准选择上，一改传统的弹性失效标准，而是采用极限参数载荷、安定载荷以及设备疲劳寿命作为主要测试标准，为此设备在参数设计方式上，允许设备在允许塑性形变范围内发出现的误差，确保设备各项参数可以符合设备使用年限设计要求。

由于使用传统方案分析方式需要根据设备结构不同进行综合分析，可能在设备设计之初，安全系数选取不是最高的，但是，无须降低设备方案设计的安全性和稳定性，为此通过对化工设备相关结构应力情况进行分析，进一步掌握设备球壳板、支柱连接位置所承受应力情况，便于根据应力情况判断连接处薄厚情况。大多数大型球罐设备除上述参数分析外，还需要对结构应力运转情况进行分析，便于分析设备生产中所需要的材料类型及生产费用。例如，大型球罐设备设计上，不同部位厚度不同，其上寒带部分、上温带内部筒壁基础厚度与赤道带的壁厚具有明显的差异性。为此技术人员针对设备进行方案分析和考核过程中，不仅需要对球壳板最大总体数量进行全面校正与考核，个别化工设备设计时，需要考虑薄膜应力强度情况，并根据相关应力情况确保化工设备更加可靠。

设计球形储罐设备时使用应力分析，不仅可以有效节省使用材料，减少经济成本的支出，一定程度上还可以提升市场的基础竞争能力，因此，从本质上来看，此种参数应力分析技术方式比常规方案设计方式来说更安全、更准确以及更可靠，可以针对不同的工作状态、不同的运作情况、不同安全设计要求，对化工设备相关参数进行分析，确保设备整体性能。

对于压力参数较高的设备来说，设备的数据分析和方案设计成为现阶段较好的选择，为此球形储罐的整体应力分析设计成为我国现代化设备发展的主要趋势之一。比如，对3000m³的球罐设备进行参数和内部结构数据的制定过程中，其内部厚度每减少1mm，其自身重量就可以减少至少8t，这样就减少了材料的使用以及降低了生产经济成本费用，尤其是在罐体生产的情况下，其生产和建造所产生的经济成本控制效果十分明显。对于球罐这种大型的设备和仪器来说，应力分析技术可以对其开展整体化方案设计和技术分析，使用该技术针对系统标准可进行全面评定，并且对于项目信息报价具有明显的优势。

2.2 在换热器整体分析设计中的应用

按照换热器标准文件中明确指出，设备参数计算主要以设备基础弹性信息数据作为基础条件，并且以管道孔洞徐削减数量的圆形平板作为研究平台，为此需要针对换热管道以及管道连接端头所产生的基础参数以及拉脱力进行全面评定。为了进一步确保整体参数分析的精准程度，一般情况下，需要使用标准公式进行数据计算。此外，设备标准适用范围的直径数据不能大于2600mm，同时，将设备设计压力与直径相互计算后，其公称直径不能大于4000mm。

针对以上设备拉脱力参数进行计算和重复审核可以得知，在小直径、应用压力较低的换热设备进行研究环节上，需要利用参数计算进而获得设备运行的最大限度，但对于运转压力较高、设备直径较大的换热设备来说，如果采用上述参数分析方式，分析产生的结果同实际结果出现的误差较大。

以某换热设备作为实际案例，其设备3500mm管壳程直径，3.5MPa设备管程压力，0.7MPa设备壳程压力，350℃设计温度，所用材料以碳钢为主，并在使用过程中需要充分考量焊接缝可能出现的泄漏与裂缝问题，需要利用应力分析，从根本上保证设备质量。除此之外，设备数值偏高的部分位置上如果无法满足基础评定需求，则需要按照常见数据计算，进而有效通过此种模式开展全面计算。

同时，针对强度焊接结构计算，设备基础拉脱力计算公式不仅需要对设备角焊缝进行全面校正与审核，一定程度上还可以在换热管中轴载荷作用下，对校正和审核焊接位置的角度、剪切用力。考虑到直径大、压力高的换热器来说，需要充分考量管板可能出现的形变情况，一旦其出现形变，很可能导致焊缝需要承受管板弯曲应力、焊缝轴向载荷等，增加设备所承载压力。故在进行这类设备设计上，需要在相关参数设计上，充分考量焊缝应力情况，便于优化焊缝，确保化工设备质量。

2.3 加氢反应器设计中应用应力分析

加氢反应器整体分析设计过程中，考虑到反应设备由于压力参数高、温度大，所以材料一般使用不锈钢材质，设备的直径和内部强度厚度也相对较大，致使下封头位置与裙座位置之间的连接需要使用特殊结构，才能保证设备可以正常运转。设备塔器裙座连接结构、密封端头设计中，需要严格参照《塔式容器》标准进行审核与校正，以便于从应力角度综合分析该设备性能情况，并根据应力分析结果，调整部分结构参数。

此外，加氢反应设备在方案设计时，为了保证设备运转质量水平，需要设置相应隔气圈，提升设备整体密封性，降低温度急剧变化对设备产生的影响，确保设备使用寿命，提高设备整体性能，另外，考虑到设备尖锐突出部位，所承受应力相对较高，因此，针对突出部位采用圆滑过渡设计方式，分散应力，提升设备性能。由于加氢反应设备壳体厚度相对较大，其温度梯度分布位置不均匀，所以外部需要充分考量热应力情况。因此，需要利用此种应力分析技术对设备内部结构进行热应力信息分析，进而查看温度具体分布情况，并且对于设备所产生的热结构耦合情况进行分析，避免由于热应力影响，导致设备出现损坏。在设计加氢反应器时，需要考量到其存在硫化和再生工况，承受热应力影响较大，需要考虑设备疲劳应力规律，并针对应力规律调整设备结构。

3 结语

由此可见，现阶段化工设备在实际设计和应用过程中，需要使用应力分析设计技术，利用该技术能够详细且全面地分析出设备外部结构和连接管道横截面积，并且能够科学、合理地使用材料等，保证设备的使用水平。除此之外，由于应力分析在化工设备设计上的应用，设备使用材料、设备制造及检验等方面也有了一定的要求，可选用适当降低安全系数的策略，以降低化工设备加工成本。