關于壓力容器焊接結構與工藝CAD設計方法的研究

周莉 陳東

（1.江蘇信博特種設備有限公司江蘇鹽城2.江蘇富麗華重工有限公司江蘇鹽城）

關于壓力容器焊接結構與工藝CAD設計方法的研究

周莉1陳東2

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壓力容器的焊接結構與工藝必須符合國家設計標準，壓力容器的工藝制定與實際工程具有直接聯系，需要依靠工程設計人員的實踐經驗，傳統的壓力容器焊接結構與工藝設計以二維設計為主，缺少三維空間設計，導致設計效率較低，且容易出現工藝質量問題，本文將深入研究壓力容器結構與工藝的CAD設計方法。

壓力容器；結構；工藝；設計；方法

壓力容器廣泛應用于各種化工產業，已經成為化工生產的主要設備，直接關系到化工產品的質量與效率，而壓力容器的焊接工藝與化工設備質量具有直接聯系。傳統的壓力容器設計以計算機二維輔助設計為主，但這種設計模式難以將焊接的各個流程納入考慮范圍，容易導致工藝漏洞。CAD三維輔助設計技術可以有效提高設計效率，將CAD三維輔助設計技術應用于壓力容器焊接工藝設計已經成為未來的發展趨勢。壓力容器焊接工藝的設計與焊接的質量具有直接聯系，CAD三維輔助設計技術在壓力容器焊接工藝設計中應用可以有效提高工藝設計的效率，下面將以VBA開發壓力容器焊接工藝三維輔助設計系統，該系統將采用參數化的設計理論，并將Access數據庫進行有效集成，通過SQL Server技術實現數據庫的無縫鏈接。

1 壓力容器組件參數化

參數化設計理論是指對零件的各個參數進行關聯設計，通過對零件參數的約束實現動態設計，參數化設計的核心就是條件函數，當零件的尺寸、工藝數據等發生變化時，需要對約束條件進行改變，零件的相關數據就會與數據庫中的數據進行關聯變化，參數化設計已經成為CAD技術二次開發的主要方向，參數化設計包括了數據抽象技術、數據封裝技術、數據的繼承性等。壓力容器焊接CAD參數化設計系統的設計需要充分考慮壓力容器的特殊性，比如壓力容器的支座、人孔等，因此需要對這些特殊工藝進行參數化，在數據參數化的基礎上進行精確、智能化設計。

1.1 支座參數化

壓力容器的支座一般包括了三個部分，分別是底板、支撐管以及墊板等，支座是壓力容器最常見的零件，但壓力容器支座的結構比較簡單，不會包含特殊的高級曲面，而壓力容器支座的支撐管以及封頭屬于比較復雜的結構，封頭的墊板也存在不規則的曲面，因此在對壓力容器支座進行參數化時，必須優先對支撐管與墊板進行參數化。首先對壓力容器支座的底板進行結構分析，對安裝孔進行結構與定位分析，之后對支撐管進行分析，尤其是支撐管上部的橢圓球。最后對壓力容器的支座進行組合裝配，組合裝配前需要對模型的坐標進行原點設計，再對三維模型進行代碼設計，寫出壓力容器支座的動態函數。

1.2 人孔參數化

人孔也是壓力容器的重要組件之一，人孔的結構包括了法蘭、蓋、密封墊片、緊固件、人孔相關的配件等，壓力容器的人孔設計必須符合《鋼件人孔與手孔設計標準》，下面將選擇最常見的回轉蓋扳式平焊法蘭人孔為參數化對象。在進行壓力容器人孔設計時，首先需要確定人孔法蘭盤的公稱直徑，將人孔法蘭的公稱直徑建立數據庫，以便系統可以隨時調用Access中的數據，之后需要對法蘭盤、螺栓、墊片、把手等進行仿真建模設計，同時需要注意折頁的零件的空間關系。

2 三維參數組件整合

上面已經簡述了壓力容器三維組件的基本仿真建模途徑，之后需要對數據進一步優化，之前建模的組件都是獨立存在的，因此每個組件都需要單獨導入數據，單個組件的關聯設計十分緩慢，難以符合壓力容器焊接工藝設計的需求，也不能滿足壓力容器的整體規劃設計需求，因此需要對壓力容器的參數化組件進行整合。首先選定各種組件，在單體參數化的基礎上進行多元整合，比如人孔組件、法蘭組件、接管組件等，之后對數據進行匯總，最后組成組合模型。一旦設計人員選定了參數，數據庫中的數據也會被確定，最后數據將被匯總，實現組合件的整體輸出，最大限度的提高了設計效率。

壓力容器焊接CAD參數化設計系統選擇的組件包括了罐體、支座、人孔、接管、法蘭等。罐體一共包括了兩個部分，罐體主體以及上下封頭等，壓力容器的罐體設計直接影響著焊接的整體效果，罐體的支座選擇也與罐體封頭具有直接關聯，因此首相需要對罐體進行設計，另外罐體直接關系到設備的性能與效率。壓力容器支座設計已經在上文進行詳細說明，本次設計選擇的壓力容器支座共有兩種：①A型支座；②B型支座。壓力容器的人孔設計也已經在上面進行說明，人孔參數化的數據已經納入ACCESS數據庫，另外數據也與VBA技術進行連接。壓力容器的接管設計涉及的內容很多，是一個十分復雜的空間工程，需要對管道進行空間布局，另外還需要考慮管道的布局與壓力等。本次設計選擇的壓力容器法蘭主要包括了兩種，分別是甲型平焊法蘭以及板式平焊法蘭。

3 壓力容器焊接CAD參數化設計系統

壓力容器組件參數化之后，需要在參數化仿真模型的基礎上進行焊接定位、方式等的設計，焊接是壓力容器的設計與制造重點，焊接的質量直接決定著壓力容器的耐壓性能，壓力容器焊接的合理性主要依靠工藝設計。目前，我國關于壓力容器焊接的標準包括《壓力容器焊接規程》以及《壓力容器結構設計標準》等，本次設計的系統采用了專家庫系統，同時利用了VBA技術、SQL Server技術、ACCESS數據庫技術等，壓力容器焊接CAD參數化設計系統結合了專家數據以及焊接工藝標準。壓力容器焊接CAD參數化設計系統的后臺包括了焊接數據管理和專家經驗知識庫，另外一部分則是焊接推理過程，可以對焊接工藝進行推理與智能設計。壓力容器焊接CAD參數化設計系統將兩組后臺系統進行了有機結合，將數據庫交互技術進行有機整合。

壓力容器焊接CAD參數化設計系統的框架如圖1所示，壓力容器焊接CAD參數化設計系統的數據庫包括了專家數據知識庫以及標準知識庫等，系統具備數據—實體統一的框架，這種結構也是目前最常用的參數化系統框架。壓力容器焊接CAD參數化設計系統中的焊接參數閥值與焊接數據庫具有一對多的隱射關系，另外特征提取規則與焊接規則也具備一對多的關系，而焊接閥值與特征提取規則之間具備一對一的關系，以上三種對應關系是實現壓力容器焊接CAD參數化設計系統的功能基礎，另外壓力容器焊接CAD參數化設計系統為用戶提供了多種焊接工藝設計方案，保證了用戶的可選擇性，用戶可以根據選擇的焊接方案導出工藝流程，獲得最優化的壓力容器焊接工藝方案。

圖1 壓力容器焊接CAD參數化設計系統框架圖

[1]徐君臣.熱-機械耦合場作用下夾套式平蓋的應力分析與結構優化設計研究[D].大連理工大學，2013.

[2]王晶.焊接參數對16MnR鋼接頭低溫性能的影響及其安全評定[D].內蒙古工業大學，2009.

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