化工设备设计基础第11章塔器设备设计.ppt
第11章 塔器设备设计,一、塔体壁厚的计算二、裙座设计,一、塔体壁厚的计算,结构组成：塔体筒节、封头和联接法兰内件塔板或填料及其支撑装置裙式支座和附件人孔、进出料接管、各仪表接管、液体和气体的分配装置、塔外的扶梯、平台和保温层。,填料塔,板式塔,一、塔体壁厚的计算,塔器多属自支承式设备，一般都很高，且承受多种载荷作用。塔体除应满足强度条件外，还需满足稳定条件。1.按设计压力计算塔体及封头壁厚按内（外）压容器及封头的有关规定，计算塔体及封头的有效厚度Se和SeH。,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算,工作介质压力重量载荷风载荷地震载荷偏心载荷,力学模型：底部固定支撑的悬臂梁。,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 塔设备重量载荷塔设备的操作质量（Kg）：m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me设备最大质量（Kg）（水压试验时的质量）：mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me设备最小质量（Kg）（吊装时的质量，要考虑吊装时的实际质量包含的内容）：mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 塔设备重量载荷m01塔设备壳体（包括裙座）质量，Kg。根据求出的壁厚Sn、Sns、SnH；m02塔设备内构件质量，kg；（0.2m02指考虑部分内构件焊在壳体上）m03塔设备保温材料质量，kg；m04平台；扶梯质量，kg；m05操作时塔设备内物料质量，kg，ma人孔、法兰、接管等附属件质量，kg；mw设备内充水质量，kg；me设备的偏心质量，kg；,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算简化假设：直径、壁厚沿高度变化的圆筒形直立设备，可视为一个多质点体系。每一直径和壁厚相等的一段长度间的质量，可处理为作用在该段高度1/2处的集中载荷 高度hk处的集中载荷mk所引起的水平地震力,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算,Cz-结构综合影响系数，圆筒形直立设备取Cz=0.5；-设备基本自振周期为T1对应的地震影响系数值；令T=T1按下图查；-地震影响系数的最大值 按下表选取；T设备自震周期，sT1设备基本振型自振周期，按下两式进行计算,Cz-结构综合影响系数，圆筒形直立设备取Cz=0.5；-设备基本自振周期为T1对应的地震影响系数值；令T=T1按下图查；-地震影响系数的最大值 按下表选取；T设备自震周期，sT1设备基本振型自振周期，按下两式进行计算,Cz-结构综合影响系数，圆筒形直立设备取Cz=0.5；-设备基本自振周期为T1对应的地震影响系数值；令T=T1按下图查；-地震影响系数的最大值 按下表选取；T设备自震周期，sT1设备基本振型自振周期，按下两式进行计算,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算等直径、等壁厚设备的基本自振周期：,-不等直径或不等壁厚设备的基本自振周期,式中 hi第i段集中质量距地面的高度，mm；Hi塔顶至第i段底截面的高度，mm；H塔设备总高，mm；I第i段的截面惯性矩，mm4；Ii=0.393(Di+Sei)3Sei；mi第i段的操作质量，kg；Di塔体内直径，mm；Ei，Ei-1第i段，第i-1段塔材料的弹性模数，MPa；,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算式中 hi第i段集中质量距地面的高度，mm；Hi塔顶至第i段底截面的高度，mm；H塔设备总高，mm；I第i段的截面惯性矩，mm4；Ii=0.393(Di+Sei)3Sei；mi第i段的操作质量，kg；Di塔体内直径，mm；Ei，Ei-1第i段，第i-1段塔材料的弹性模数，MPa；振型参数与系数,hk计算截面II以上集中质量mk的作用点距地面的高度，mm。,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算任意计算截面II的地震弯矩,h计算截面距地面高度,等直径、等壁厚的设备任意截面II的地震弯矩,底部截面的地震弯矩,【注】当H/Di5时，设备为柔性结构，须考虑高振型影响，在进行稳定或其他验算时，取地震弯矩值应为上列计算值的1.25倍。,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算自支承式塔设备受风压作用的示意图。塔体会因风压而发生弯曲变形。吹到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加而增加。为了计算简便，将风压值按设备高度分为几段，假设每段风压值各自均布于塔设备的迎风面上。塔设备的计算截面应该选在其较薄弱的部位，如截面0-0，1-1，2-2等。两相邻计算截面区间为一计算段；任一计算段的风载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。任一计算段风载荷的大小，与设备所在地区的基本风压值q0、设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算两相邻计算截面间的风载荷为：p0=K1K20q0f0l0De010-6 Np1=K1K21q0f1l1De110-6 NPi=K1K2iq0filiDei10-6 N 式中：q010米高度处的基本风压值。以一般空旷平坦地面、离地面10米高度处，统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速vmax(m/s)为标准，按照 计算得来的。,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算fi风压高度处变化系数，在100m以下时按表173选取，中间值按内插法求取；K1体型系数（空气动力系数），对圆筒设备取K10.7；K2i风振系数，当塔高H20m时，K2i=1.7，当H20m时取；脉动增大系数，按表174选取；第i段脉动影响系数，按表175选取；第i段振型系数 同一直径的两相邻计算截面间距离，mm；Dei设备各段的有效直径，mm；,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算当笼式扶梯与进出口管布置成1800时，笼式扶梯与进出口管成900布置时，取二式中较大者：D0i设备各段的外径，mm；设备的保温层厚度，mm；K3系数，笼式扶梯当量宽度，K3=400mm；,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算K4系数，操作平台当量宽度，mm；计算段设备的长度、该段内平台构件的投影面积(不计入塔及空档的投影面积)，mm，mm2；d0管线的外径，mm；管线保温层厚度，mm。塔设备作为悬臂梁，在风载荷作用下产生弯曲变形。任意截面的风弯矩按下式计算：,一、塔体壁厚的计算,2.塔体承受的各种载荷的计算 偏心载荷计算塔设备在顶部悬挂的分离器、热交换器、冷凝器等附属设备对塔体产生偏心载荷。偏心载荷所引起的弯矩为：式中：e偏心重物的重心至塔设备中心线的距离，mm。,一、塔体壁厚的计算,3.塔体稳定验算（压应力校核）设计压力在塔体中引起的轴向应力：重量载荷在塔体中引起的轴向应力：弯矩在塔体中引起的轴向应力：,式中 计算截面处的最大弯矩，,一、塔体壁厚的计算,3.塔体稳定验算（压应力校核）压应力校核 塔设备的危险工况内压塔设备为停车工况，即：外压塔设备为操作工况，即：,内压设备,外压设备,一、塔体壁厚的计算,4.塔体拉应力验算内压塔设备为正常操作工况，即外压塔设备为非操作工况，即总结壁厚确定：综合按设计压力、稳定条件验算、抗拉强度验算三种情况确定的壁厚Sei的大小，取其中较大值，再加上壁厚附加量，并考虑制造、运输、安装时刚度的要求，最终确定塔体壁厚。,内压设备,外压设备,一、塔体壁厚的计算,5.塔设备水压试验时的应力验算试验压力引起的环向应力试验压力引起的轴向应力重力引起的轴向应力弯矩引起的轴向应力,一、塔体壁厚的计算,5.塔设备水压试验时的应力验算液压试验时圆筒材料许用轴向压应力：计算所得的各项应力应满足下列要求：,二、裙座设计,1.裙座的结构组成,座体；基础环；螺栓座；管孔人孔、引出管孔、排气管孔等。,圆筒形裙座制造方便，经济上合理，应用广泛；圆锥形裙座应用于高塔（DN25或DN1m，且H/DN30）。,二、裙座设计,2.座体设计 基底危险截面操作工况：水压试验工况：基底截面的最大弯矩，Nmm；基底截面的风弯矩，Nmm；m0塔设备的操作质量，kg；mmax设备的最大质量，kg；Zsb基底截面的抗弯截面模量（），mm3；Asb基底截面的面积（3.14DisSs），mm2；Dis座体基底截面的内直径，mm；设计温度下座体材料的许用应力，MPa；Ss座体计算壁厚，mm。,二、裙座设计,2.座体设计 基底危险截面,操作工况 水压试验工况,二、裙座设计,2.座体设计 人孔危险截面操作工况：水压试验工况：人孔或较大管线引出孔处最大弯矩，Nmm；人孔或较大管线引出孔处风弯矩，Nmm；人孔或较大管线引出孔处以上设备操作质量，kg；人孔或较大管线引出孔处以上设备液压试验质量，kg；Zsm人孔或较大管线引出孔处抗弯截面模量。,二、裙座设计,2.座体设计 人孔危险截面Asm人孔或较大管线引出孔处的截面积。Am=2lmSm mm2bm人孔或较大管线引出孔接管处水平方向的最大宽度，mm；Ses裙座有效壁厚，mm；lm人孔或较大管线引出孔加强段长度，mm；Dim、Rim人孔或较大管线引出孔处裙座截面内直径和内半径，mm；Sm人孔或较大管线引出孔处加强段的厚度，mm。,二、裙座设计,3.基础环设计 基础环尺寸的确定,Dis裙座基底截面的内径，mm；D0b基础环外径，mm；Dib基础环内径，mm；,二、裙座设计,3.基础环设计 基础环厚度计算基础环底面上所产生的最大组合轴向压应力为：Zb基础环的抗弯截面模量，mm3；Ab基础环的面积，mm2；Sb基础环的厚度，mm；须满足 Ra（混凝土基础的许用应力）,二、裙座设计,3.基础环设计 基础环厚度计算基础环底面上所产生的最大组合轴向压应力为：Zb基础环的抗弯截面模量，mm3；Ab基础环的面积，mm2；Sb基础环的厚度，mm；须满足 Ra（混凝土基础的许用应力）注意基础环上的最大压应力值 认为是作用在基础环底面上的均匀载荷。,二、裙座设计,3.基础环设计 基础环厚度计算A.基础环上无筋板时，基础环作为悬壁梁，在均布载荷的作用下，其最大弯曲应力为：基础环厚度计算：B.基础环上有筋板时，基础环的厚度计算：,Ms计算力矩；取矩形板时X，Y轴的弯矩Mx，My中的绝对值较大者，按表17-9计算，N.m/m。基础环厚度求出后，应加上壁厚附加量2mm，并圆整到钢板规格厚度，但不得小于12mm。,二、裙座设计,4.基础螺拴计算基础中由螺栓承受的最大拉应力为：设备底部截面地震弯矩，Nmm。如果B0，则设备自身足够稳定，为了固定设备位置，应使用一定数量的地脚螺栓。如果B0，则设备必须安装地脚螺栓，并须进行计算。计算时可先按4的倍数假定地脚螺栓数量n，此时地脚螺栓的根部直径d1：,二、裙座设计,5.裙座与塔体的连接 裙座与塔体连接焊缝结构,对接结构,搭接结构,二、裙座设计,5.裙座与塔体的连接 裙座与塔体连接焊缝结构,对接结构(a),搭接结构(b)(c),对接焊缝特点：裙座与塔体直径相等，对齐焊在一起。对接焊缝受压，可以承受较大的轴向载荷，用于大塔。由于焊缝在塔体底封头的椭球面上，封头受力情况较差。搭接焊缝特点：裙座内径稍大于塔体外径，裙座搭焊在底封头的直边上。搭接焊缝承载后作剪切变形，受力情况不佳；对封头来说，受力情况较好。,二、裙座设计,5.裙座与塔体的连接 裙座与塔体对接焊缝的验算对接焊缝的最大拉应力校核：Dit裙座顶部截面的内径，mm；裙座与塔体搭接焊缝的验算焊缝总剪切应力：,二、裙座设计,5.裙座与塔体的连接 裙座与筒体搭接焊缝所承受的设备操作质量，kg；水压试验时设备的总质量(不计裙座质量)，kg；Aw焊缝抗剪截面积，Zw焊缝剪切截面模量，mm3；D0t裙座顶部截面的外径，mm；焊缝材料设计温度许用应力，与裙座材料相同，MPa；裙座与筒体搭接焊缝处截面的最大弯矩，Nmm；裙座与筒体搭接焊缝处截面的风弯矩，Nmm。,
