1、塔强度设计22、筛板塔确定塔板数和塔板效率选取塔板间距和塔高计算塔径机械设计结构设计塔盘布置与验算六项内容中的前四项属于工艺设计3 裙座最低截面裙座筒体与基础环的连接处； 裙座人孔截面； 塔体最低截面塔体与裙座的连接处； 塔体与裙座的焊缝截面。机械设计内容1、按设计条件初定塔体壁厚；2、计算塔在危险截面的总载荷；3、同时考虑总载荷与操作压力校核塔体壁厚及塔的稳定性；4、设计裙座、确定地脚螺栓的规格及数量。塔设备的主要危险截面本节主要讲载荷分析、塔体和裙座的强度及稳定性校核、塔设备的振动5塔的固有周期塔的载荷分析6质量载荷塔设备在正常操作时的质量mo=mo1+mo2+mo3+mo4+mo5+ma
2、+me塔设备在水压试验时的质量（此时最大）mmax=mo1+mo2+mo3+mo4+mw+ma+me塔设备在停车检修时的质量（此时最小）mmin=mo1+0.2mo2+mo3+mo4+ma+me(注：书上mmin式中无me不对）7式中：mo1塔体和裙座的质量；mo2塔内件（如塔盘、填料等）的质量；m03保温材料的质量；mo4操作平台和扶梯的质量；mo5操作时塔内物料的质量；ma塔附件（如人孔、接管、法兰等）的质量；me偏心构件（如吊柱再沸器、冷凝器等）的质量；mw水压试验时，塔内充水的质量；0.2折算系数，检修时有些内件(如塔板、填料等)拿掉偏心弯矩Me=mege式中：g、e 依次为重力加速度
3、和偏心距（偏心构件的重心至塔中心线的距离。在不考虑操作平台及外部管线的限制作用时，若将塔设备视为具有多个自由度的体系，则它就有多个固有频率，最低的称为基本固有频率或基本频率。各质点振动后的变形曲线称为振型。与基本固有频率对应的周期称为基本固有周期或基本周期。9T1的求法： 等直径、等壁厚塔器的基本自震周期：301390.3310eim HTHES D11处理成多个塔节组成，将每个塔节化为质量集中于其重心的质点，并采用质量折算法计算第一振型的固有周期。质量折算法的基本思想是将一个多自由度体系，用一个折算的集中质量来代替，从而将一个多自由度体系简化成一个单自由度体系。确定集中质量的原则是使两个相互
4、折算体系在振动时产生的最大动能相等。T1的求法： 不等直径或不等壁厚塔器的基本自震周期：3333111211114.810nnniiiiiiiiiiihHHTmHE IEI141、地震载荷（参见JB4710）地震起源于地壳深处，地震波传到地面时，会使塔设备发生振动。地震载荷可以分解为三个平动分量和三个转动分量。转动分量实测数据很少，一般不予考虑。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。垂直方向较小，一般只有在地震烈度为8度或9度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。15震级地震烈度基本烈度地震规模的大小，由地震能量决定，能量越大、震级就越大。发生地震时，地区的危害程度、震级
5、越大、该地区距地震中心的距离（震中距）越小、地质条件越有利于地震波的传播，地震烈度就越大。某地区在今后一定时期内，可能遭遇到的最大地震烈度。基本烈度分为12个等级，12度最高，然后依次降低。当基本烈度在7度及以上时，就应考虑水平地震分量对塔设备的影响，当达到8度及以上时，应同时考虑水平和垂直地震分量对塔设备的影响。设计烈度抗震设计时采用的地震烈度，根据基本烈度和设备重要性等确定，设计烈度不小于基本烈度。a. 水平地震力 所谓地震力是地震时地面运动对于设备的作用力。对于底部刚性固定在基础上的塔设备，如将其简化成单质点的弹性体系，则地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力。 塔底刚性固定； 沿
6、塔高分布多个质点（m1mn），各质点分别代表直径和壁厚相等的一段塔（均质段）的质量（质心位置）； 弹性体系； 水平地震力自塔底向上传递，各质点产生惯性力； mk是第k段塔（均质段）的质量，mk位于计算截面之上。模型特征17第k段塔节重心处（k质点处）产生的相当于第一振型（基本振型）的水平地震力为Fk1=1k1mkg式中：Fk1任意一个质点mk的水平地震力，N1相应于设备第一自振周期T1的地震影响系数，根据T1和塔安装地的地质情况由下图确定：18k1相应于设备第一自振周期T1的质点mk的振型系数：式中： hk第k段塔的集中质量mk（质心）离地面的距离，（见图8-5，mk位于计算截面之上），mmi
7、 第i段塔在操作时的集中质量，kg;him i（质心）离地面的距离，m3iin1i5 . 1iin1i5 . 1k1khmhmh19对于直径、等壁厚的塔，质量沿塔高是均布的，mk的振型系数为：5 . 15 . 1k1kHh6 . 1式中： H塔的总高度，mmkkg;g重力加速度，取g=9.81m/s2。2021塔底截面00的垂直地震力为：b. 垂直地震力Fv00=vmaxmeqg式中：vmax垂直地震影响系数的最大值， vmax = 0.651max ;meq塔设备的当量质量，meq=0.75m0;m0塔设备在操作时的集中质量，kg22塔在任意质点 i 处的垂直地震力为：)， n3 , 2,
8、1i (FhmhmF00vkkn1kiiiiv（2）地震弯矩水平地震力对塔构成弯矩（质量沿塔高非均布的塔设备）：1 1111()nEkkkMFhhk1kh1k000h| 1EhFM塔底截面23对于等直径、等壁厚、即质量沿塔高均布的塔设备（常见）：1 13.52.53.5111.58(10144)175ZECmgMHhHhH0 0211|01635zEhMCmgH塔底截面式中：1EM001EM塔设备任意计算截面的地震弯矩，Nm；塔设备底部截面的地震弯矩， Nm；h 计算截面距塔底的距离，m;m 塔设备在操作时的总重量，kg.24以上计算是按塔的第一振型（一阶共振）进行的，当H/D15或H20m时
9、，还必须计算高阶振型的地震力和地震弯矩，为使问题简单化，可按下式考虑各振型的地震弯矩：1EEM25. 1M25风力除了使塔体产生应力和变形外，还可能使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。强度及失稳、效率降低。风载荷是随机载荷，对于顺风向风力，可视为两部分组成：平均风力（静载荷）与脉动风力（动载荷）。通常将动载荷折算成静载荷，由于动载荷会引起塔设备的振动，因此折算系数称为风振系数。2、风载荷（风力）262、风载荷（风力）塔设备的主要危险截面位于塔的不同高度，在不同高度处的风力不同，应分别计算（分段计算），见右图中的l1ln段。图中q1qn为各段风力的均布载荷（风压
10、），P1Pn为各段风力的集中载荷。272、 诱导振动激振力的形成原理基础环的最大应力是各种载荷的特定综合，见图781下图：hk第k段塔的集中质量mk（质心）离地面的距离，（见图8-5，mk位于计算截面之上），m各质点振动后的变形曲线称为振型。式中：Ab基础环面积，强度及失稳、效率降低。塔设备中第 i 计算段的迎风面的有效直径DeiDei = Doi +2si +k3 +k4风载荷是随机载荷，对于顺风向风力，可视为两部分组成：平均风力（静载荷）与脉动风力（动载荷）。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。因此，在某一时刻，涡街的某一横断面上，存在一个由高气压侧指向低气压侧
11、的横风向水平推力（书上称为升力）。各质点振动后的变形曲线称为振型。发生地震时，地区的危害程度、震级越大、该地区距地震中心的距离（震中距）越小、地质条件越有利于地震波的传播，地震烈度就越大。塔设备承受风力的宽度不仅是塔径，还包括保温层、扶梯、操作平台、外接管道、管道保温层等。mi 第i段塔在操作时的集中质量，kg;Dei = Doi +2si +k4 +d0+2ps（2）风载计算（参见JB4710）Pi = k1 k2i qi li Dei式中：Pi塔设备中第 i 计算段所受的水平风力，N；ki塔的体型系数，塔为细长圆柱体，可取k1=0.7;k2i塔设备中第 i 计算段的风振系数；qi塔设备中第
12、 i 计算段的风压，Pa；li塔设备中第 i 计算段的高度，m，见图774；Dei塔设备中第 i 计算段的迎风面的有效直径，m。28a. 风压qi若塔高H10m，以塔顶风压作为整个塔的风压；若H10m，应从塔底每10m分为一段，按下式分段计算风压；qi = fi qo式中：qo 基本风压，Pa；fi 风压随高度变化的系数。29基本风压qo(qo可直接查表)式中：空气密度，kg/m3，随当地的高度和湿度而异，中国设计规范规定：各地均取一个大气压、10时的干空气密度，即 =1.25kg/m3； vo 基本风速，m/s，随当地季节和离地面的高度而异，中国设计规范规定：取当地30年一遇、离地面10m高
13、处、以10min为时距所得的最大风速的平均值。212ooqv30 风压随高度变化的系数fi（fi可直接查表）地表通常是凸凹不平的，当风刮过时，不平的地表对风速、风压产生阻碍作用，使其产生梯度。研究表明：在一定高度内，高度越大，风速、风压就越小，风速、风压随高度变化呈指数关系。注：风压不是气压，地表处空气密度大，气压也大，而风压（均布载荷）却小。313233b. 风振系数k2i脉动风力的大小会影响塔振幅（摇晃度）的大小，脉动风力越大，振幅也越大，振动周期也越长；塔在迎风的振动行程内，会使脉动风力相对增大，振幅越大即振动周期越长，脉动风力增大得也越多。若塔高H20m，取k2i=1.70若塔高H20
14、m，按下式计算：式中：脉动风力的增大系数，与风压和振动周期有关，见表7-6；vi 塔设备中第 i 计算段的脉动风力的影响系数，与地表粗糙度 和第 i 段所在高度有关，见表77；Zi 塔设备第 i 计算段的振型系数，与第i段所在高度相对塔的高度和塔顶直径相对塔底直径有关，见表78。iZiii 2fv1k343536塔底截面00的垂直地震力为： 安装情况下、即重量最轻时；当此旋涡脱离原来位置而汇入下游气流中时，原来的一侧又产生新的旋涡。Fv00=vmaxmeqgg重力加速度，取g=9.不等直径、不等厚度塔的固有周期若塔高H20m，按下式计算：若假设Me、Mw和ME同时出现、且出现在塔的同一方向，则
15、偏于保守，因为风速最大时未必发生地震，或震级未必最高。CL 升力系数，与雷诺数Re有关，当Re4105时，CL=0.A第i段内操作平台构件在风力方向的投影面积（不计空挡的投影面积），m2； 安装情况下、即重量最轻时；c. 塔设备中第 i 计算段的迎风面的有效直径Dei塔设备承受风力的宽度不仅是塔径，还包括保温层、扶梯、操作平台、外接管道、管道保温层等。塔体保温层和操作平台总是相对塔体中轴线对称的，而扶梯和外接管道（及其保温层）却不对称，但是不外乎以下三种情形：37扶梯与管线布置成90风吹扶梯，不吹管线扶梯与管线布置成90风吹管线，不吹扶梯扶梯与管线布置成180风向风向风向扶梯塔管线38当笼式扶
16、梯与塔顶管道布置成180时：Dei = Doi +2si +k3 +k4 +d0+2ps式中：当笼式扶梯与塔顶管道布置成90时，Dei取以下两式中的较大值：Dei = Doi +2si +k3 +k4 Dei = Doi +2si +k4 +d0+2psDoi 塔设备中第i计算段的外径，m;si 塔设备中第i计算段的保温层厚度，md0 塔顶管线的外径，m;ps塔顶管线的保温层厚度，m;k3 笼式扶梯的当量宽度，无确定数据时，取k3=0.40m;39k4 操作平台的当量宽度，m：04hA2kA第i段内操作平台构件在风力方向的投影面积（不计空挡的投影面积），m2；h0 第i段内操作平台的高度，m系
17、数2操作平台在迎风侧半周和背风侧半周均能产生投影面积A 。注：k4是投影宽度的当量尺寸。风 力 方 向投 影 宽 度塔操 作 平 台式中：h0li40（2）风力弯矩的计算41（2）风力弯矩的计算1 1312121312123()()()2222nwnllllMPP lP llP lll参照图8-8，分别计算各段的底部截面（危险截面）的风力弯矩：第一段底部截面（塔底）：第二段底部截面：2 23221312123()()()222nwnlllMP lP llP lll第三段底部截面：3 33312123()()22nwnllMP llP lll以此类推，算出各危险截面的风力弯矩。可见下段对上段不起
18、作用，弯可见下段对上段不起作用，弯矩是本段和上部各段的累计）矩是本段和上部各段的累计）423、偏心弯矩Me=mege式中：g、e 依次为重力加速度和偏心距（偏心构件的重心至塔中心线的距离。43最大弯矩是偏心弯矩Me、风力弯矩Mw和地震弯矩ME的综合。若假设Me、Mw和ME同时出现、且出现在塔的同一方向，则偏于保守，因为风速最大时未必发生地震，或震级未必最高。另外，水压试验时间较短，一般遇不到地震。为此，最大弯矩Mmax按下列方法计算：操作或停车时：Mmax=max Mw+Me, ME+0.25Mw+Me水压试验时： Mmax=0.3Mw+Me塔设备的最大弯矩44各种载荷引起的轴向应力（1）内压
19、或外压引起的轴向拉或压应力（2）重力及垂直地震力引起的轴向压应力（最大弯矩中无地震弯矩时）（3）最大弯矩引起的轴向拉（或压）应力筒体的强度及稳定性校核eii14pD1 11 11 1029.8vieimFD1 11 1max3iMw0Fv3）稳定性校核 求出的最大组合轴向压应力，并使之等于或小于轴向许用压应力cr值。许用轴向压应力按下式求取： tcrmin= KBK ，式中 B按6.2节“筒体轴向压应力的验算”求取； t材料在设计温度下的许用应力，MPa； K载荷组合系数，取K1.2。 计算出的最大组合轴向拉应力应满足下式： maxtK 4、塔体拉应力校核5塔体最终厚度的确定 按设计压力计算的
20、塔体厚度Se； 按稳定条件验算确定的厚度Sei； 按抗拉强度验算条件确定的厚度Sei； 取上述三者中的最大值，作为塔体的有效厚度。54裙座不受塔的内压或外压所引起的应力，裙座的最大组合拉应力总是小于最大组合压应力，裙座底部截面、人孔截面、管线引出孔截面、裙座与塔体焊接的截面是危险截面。裙座基础环和地脚螺栓的设计计算也属于本部分的内容。裙座的设计与强度及稳定性校核（1）裙座筒体首先参照塔体壁厚试取一裙座筒体的有效壁厚es，然后校核各危险截面的最大压应力。校核思路及方法基本与塔的筒体相同，例如塔底截面00：55200 + 300 min kt, kB 操作时200 + 300 min 0.9ks,
21、 kB 压力试验时（2）裙座基础环 基础环的外径、内径可按下式选取：200 、300 的意义及算式参照2 、 3 ，因操作与试压时Mmax不同，故300 也不相同；其余参数意义同前。式中：D0b=Dis+(0.160.40) mDib=Dis(0.160.40) m式中符号意义见下图5657 基础环的厚度a. 基础环应力分布三个应力图是把基础环表达成整体的圆板，但是下面计算应力时仍以实际的环板。图中Q=mg58b. 无筋板基础环的厚度b基础环的最大应力是各种载荷的特定综合，见图781下图：P= bmaxb(1个单位长度)P对梁根部的弯矩为：将无筋板基础环看作悬臂梁，梁上受均布载荷bmax，梁长
22、为，梁宽为L=1个单位长度，则梁上的集中力P（见图779）为：bmax =200 + 300 （取正常操作和水压试验的较大值）)bDD(21bib0maxb2b212/bpM59梁根部的上、下表面的弯曲应力为：如图780，将基础环看作是承受均布载荷bmax的矩形板（bl），两个b边由筋板支承（简支），内缘 l 边焊在裙座筒体上（固支），外缘 l 边为自由边。根据平板理论，可算出矩形板的最大弯矩Ms。c. 有筋板基础环的厚度bbsb/bMb2bmaxb22bmaxb2bb3)1(61b21wM个单位长度bmaxb2b/3b则基础环厚度式中：b基础环材料的许用应力60塔设备只在弯矩（偏心质量、风力
23、、水平地震力）作用下会沿风向倾倒，迎风侧螺栓受拉，北海风侧螺栓不受力。在弯矩和重力的共同作用下，因重力抵消一部分或全部倾倒力矩，故迎风侧螺栓所受拉力减小，甚至拉力为零，背风侧螺栓仍不受力。为安全起见，规定无论塔设备有无倾倒力矩，都要设地脚螺栓。因为地脚螺栓还有防止塔设备水平滑移的作用。（3）地脚螺栓61塔设备在下列两种情况下容器倾倒，应分别计算基础环在迎风侧的最大拉应力B： 安装情况下、即重量最轻时； 操作情况下再受地震力时若B0，则塔设备足够稳定，不会倾倒，但为安全起见，仍需设置一定规格及数量的地脚螺栓。若B0，则塔设备有倾倒危险，必须设置地脚螺栓。假设迎风侧每个螺栓所承受的最大拉力为T：6
24、2式中：bt 地脚螺栓材料的许用应力；c4 腐蚀裕度。地脚螺栓小径：4btbB4bt1cnA4cF4dnATbB)DD(4A2ib2b0b式中：Ab基础环面积，n 地脚螺栓个数637.6塔设备的振动安装于室外的塔设备，在风力作用下将产生两个方向的振动，一是顺风向水平振动，二是横风向水平振动（又称为诱导振动）。前者是塔器常规设计的主要内容以研究计算塔共振时的固有周期（又称为自振周期），和脉动风力（用风振系数将脉动风力折算成稳定风力）为主要内容；后者在晚期的塔器设计中才给予了考虑以研究计算卡曼涡街、升力、和临界风速等为主要内容。641. 等直径、等壁厚塔的固有周期T（s）塔的固有周期65式中：m
25、塔在单位高度内的质量，kg/m；H 塔高，m;E 塔体材料在设计温度下的弹性模量，Pa；I 塔截面的形心轴惯性矩，EImH79.1T41一阶固有周期二阶固有周期三阶固有周期EImH285.0T42)(EImH102.0T43很少用到44i40m),DD(64I式中：D0、Di依次为塔的外径、内径，m662. 不等直径或不等壁厚塔的固有周期T（s）67mi、hi 第 i 段塔的质量（kg）及其质心到塔底的高度（m）；H 塔高，m;Hi 第 i 段塔的底部截面至塔顶的距离，m；Ei 第 i 段塔的材料在设计温度下的弹性模量，Pa；Ii 第 i 段塔截面的形心轴惯性矩，m4。n1in1in2i1i1
26、i3iii3i3ii1)IEHIEH()Hh(m312T一阶固有周期式中：681. 卡曼涡街风的诱导振动当空气以一定速度流经圆柱体时，在其背风面的两侧交替生产旋涡，然后释放（脱离）并形成整齐的旋涡尾流。该现象由匈牙利学者冯卡曼发现并研究，称为卡曼涡街（或卡曼涡流），见下图：69卡曼涡街（分布旋涡的街道）中虚线两侧的旋涡是交替产生、释放和逸散的。当一侧的一个旋涡长大后脱离原来位置而汇入下游气流中时，另一侧的旋涡正在形成并长大；当此旋涡脱离原来位置而汇入下游气流中时，原来的一侧又产生新的旋涡。涡街中两侧旋涡的旋向相反。702、 诱导振动激振力的形成原理涡街在靠近塔设备某一横断面上，有旋涡的一侧气流
27、阻力较大，气流速度较小，而无旋涡的一侧气流阻力较小，气流速度较大。根据伯努利能量守恒定律，流速较大时气压必然较低。因此，在某一时刻，涡街的某一横断面上，存在一个由高气压侧指向低气压侧的横风向水平推力（书上称为升力）。由于涡街两侧的旋涡是交替产生的，因此推力的方向也是交替变化的，见下图：71交替变化的横风向水平推力就是风诱导振动的激振力。723、 诱导振动激振力的大小激振力由流体力学公式计算：2/ACA)21(CF2L2LCL 升力系数，与雷诺数Re有关，当Re4105时，CL=0.2，一般取CL=0.13； 空气密度，kg/m3; 风速，m/s；A 塔在风向的投影面积，等于塔径乘以塔高，m2。式中：734、诱导振动激振力的频率与周期D2.0DSftSt 斯特劳哈尔（捷克学者）准数，与雷诺数Re有关，当Re=3002105（常见情况）时，St0.2； 风速，m/s；D 塔外径，m式中：D5SDf1Tt推荐当0.85T1 T 1.3T1（T1为塔的一阶固有周期）时，应对塔体采用消振措施：
