1、第第1111章章 塔器设备设计塔器设备设计n塔体塔体n内件内件n裙式支座和附件裙式支座和附件填料塔填料塔板式塔板式塔n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。塔体除应满足塔体除应满足强度条件强度条件外，还需满足外，还需满足稳定条件稳定条件。n1.按设计压力计算塔体及封头壁厚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有效厚度e和和eH。n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 工作介质工作介质压力压力 重量载荷重量载
2、荷 风载荷风载荷 地震载荷地震载荷 偏心载荷偏心载荷 力学模型力学模型：底：底部固定支撑的部固定支撑的悬臂梁。悬臂梁。n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 塔设备重量载荷塔设备重量载荷 m01塔设备壳体（包括裙座）质量，塔设备壳体（包括裙座）质量，Kg。根据求出的。根据求出的壁厚壁厚n、ns、nH；m02塔设备内构件质量，塔设备内构件质量，kg；（；（0.2m02指考虑部分内指考虑部分内构件焊在壳体上）构件焊在壳体上）m03塔设备保温材料质量，塔设备保温材料质量，kg；m04平台和扶梯质量，平台和扶梯质量，kg；m05操作时塔设备内物料质量，操作时塔设备内物料质量，kg，
3、ma人孔、法兰、接管等附属件质量，人孔、法兰、接管等附属件质量，kg；mw设备内充水质量，设备内充水质量，kg；me设备的偏心质量，设备的偏心质量，kg；n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 塔设备重量载荷塔设备重量载荷 塔设备的操作质量（塔设备的操作质量（KgKg）：m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me 设备最大质量（设备最大质量（KgKg）（水压试验时的质量）：（水压试验时的质量）：mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me 设备最小质量（设备最小质量（KgKg）（吊装时的质量，要考虑吊装时）（吊装时的质量，要考虑吊装时的实际质量包
4、含的内容）：的实际质量包含的内容）：mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+men2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算地震载荷计算 简化假设简化假设：直径、壁厚沿高度变化的：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间的质量，可处理为作用在该段高度度1/2处的集中载荷处的集中载荷.高度高度hk处的集中载荷处的集中载荷mk所引起的水平所引起的水平地震力地震力 kz1kkCFm gn2.2.塔体承受的各种载荷的计算
5、塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算地震载荷计算kz1kkCFm gC Cz z-结构综合影响系数，圆筒形直立设备取结构综合影响系数，圆筒形直立设备取C Cz z=0.5=0.5；1-设备基本自振周期为设备基本自振周期为T T1 1对应的地震影响系数值；令对应的地震影响系数值；令T T=T T1 1按按下图查；下图查；max-地震影响系数的最大值，按下表选取；地震影响系数的最大值，按下表选取；T T设备自震周期，设备自震周期，sT T1 1设备基本振型自振周期，按下两式进行计算设备基本振型自振周期，按下两式进行计算 n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算地震
6、载荷计算 等直径、等壁厚设备的基本自振周期：等直径、等壁厚设备的基本自振周期：3ie01DESHm90.33HT-不等直径或不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 3-n2i1-i1-i3in1iii3i3in1ii110IEH-IEHHhm114.8T式中式中 h hi i第第i i段集中质量距地面的高度，段集中质量距地面的高度，mmmm；H Hi i塔顶至第塔顶至第i i段底截面的高度，段底截面的高度，mmmm；H H塔设备总高，塔设备总高，mmmm；I I第第i i段的截面惯性矩，段的截面惯性矩，mm4mm4；I Ii i=0.393(D=0.393(Di i+S
7、+Seiei)3S)3Seiei；m mi i第第i i段的操作质量，段的操作质量，kgkg；D Di i塔体内直径，塔体内直径，mmmm；E Ei i，E Ei-1i-1第第i i段，第段，第i-1i-1段塔材料的弹性模数，段塔材料的弹性模数，MPaMPa；n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 地震载荷计算地震载荷计算 振型参数与系数振型参数与系数kn1i3iin1i1.5ii1.5kkhmhmhh hk k计算截面计算截面I II I以上集中质量以上集中质量m mk k的作用点距地面的高度，的作用点距地面的高度，mmmm。n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各
8、种载荷的计算 地震载荷计算地震载荷计算 任意计算截面任意计算截面I II I的地震弯矩的地震弯矩n1ikkI-IEh-hFMh h计算截面距地面高度计算截面距地面高度 等直径、等壁厚的设备任意截面等直径、等壁厚的设备任意截面I II I的地震弯矩的地震弯矩3.52.53.52.501zI-IE4hh14H-10H175Hgm8CM底部截面的地震弯矩底部截面的地震弯矩 gHmC3516M01z0-0E【注注】当当H/DH/Di i55时，设备为柔性结构，须考虑高振型影响，在进时，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行稳定或其他验算时，取地震弯矩值
9、应为上列计算值的1.251.25倍。倍。n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 风载荷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。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，如截面弱的部位
10、，如截面0-00-0，1-11-1，2-22-2等。两相邻等。两相邻计算截面区间为一计算段；任一计算段的风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载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。力。任一计算段风载荷的大小，与设备所在地区任一计算段风载荷的大小，与设备所在地区的基本风压值的基本风压值q q0 0、设备的高度、直径、形状以、设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。及自振周期有关。n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算风载荷计算两相邻计算截面间的风载荷为：两相邻计算截面间的风载荷为：p p0 0=K=K1 1K K2020
11、q q0 0f f0 0l l0 0D De0e01010-6-6 N Np p1 1=K=K1 1K K2121q q0 0f f1 1l l1 1D De1e11010-6-6 N N P Pi i=K=K1 1K K2i2iq q0 0f fi il li iD Deiei1010-6-6 N N 式中：式中：q q0 01010米高度处的基本风压值。以一般空旷平坦地面、米高度处的基本风压值。以一般空旷平坦地面、离地面离地面1010米高度处，统计得到的米高度处，统计得到的3030年一遇年一遇1010分钟平均最分钟平均最大风速大风速v vmaxmax(m/s)(m/s)为标准，按照为标准，
12、按照q0=v2/2计算得来的。计算得来的。n2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算风载荷计算f fi i风压高度处变化系数，在风压高度处变化系数，在100m100m以下时按表以下时按表17173 3选取，中间值按内选取，中间值按内插法求取；插法求取；K K1 1体型系数（空气动力系数），对圆筒设备取体型系数（空气动力系数），对圆筒设备取K1K10.70.7；K K2i2i风振系数，当塔高风振系数，当塔高H20mH20m时，时，K K2i2i=1.7=1.7，当，当H20mH20m时取时取 ；脉动增大系数，按表脉动增大系数，按表17174 4选取；选取；第第i i段
13、脉动影响系数，按表段脉动影响系数，按表17175 5选取；选取；第第i i段振型系数段振型系数 同一直径的两相邻计算截面间距离，同一直径的两相邻计算截面间距离，mmmm；D Deiei设备各段的有效直径，设备各段的有效直径，mmmm；ii2iliiif22i1Kn2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算风载荷计算当笼式扶梯与进出口管布置成当笼式扶梯与进出口管布置成1801800 0时，时，笼式扶梯与进出口管成笼式扶梯与进出口管成90900 0布置时，取二式中较大者：布置时，取二式中较大者：D D0i0i设备各段的外径，设备各段的外径，mmmm；设备的保温层厚度，设备
14、的保温层厚度，mmmm；K K3 3系数，笼式扶梯当量宽度，系数，笼式扶梯当量宽度，K K3 3=400mm=400mm；ps043si0iei2dKK2DD43si0eiKK2DDps04si0ei2dK2DDsin2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 风载荷计算风载荷计算K K4 4系数，操作平台当量宽度，系数，操作平台当量宽度，mmmm；计算段设备的长度、该段内平台构件的投影面积计算段设备的长度、该段内平台构件的投影面积(不计入塔及空档的投影面积不计入塔及空档的投影面积)，mmmm，mmmm2 2；d d0 0管线的外径，管线的外径，mmmm；管线保温层厚度，管线保温
15、层厚度，mmmm。塔设备作为悬臂梁，在风载荷作用下产生弯曲变形。任意塔设备作为悬臂梁，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：截面的风弯矩按下式计算：04A2KlA 0，lps 2p2p2pM2i1ii2i1ii1iiii-iwlllllln2.2.塔体承受的各种载荷的计算塔体承受的各种载荷的计算 偏心载荷计算偏心载荷计算 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：备对塔体产生偏心载荷。偏心载荷所引起的弯矩为：式中：式中：e e偏心重物的重心至塔设备中心线的距离，偏心重物的重
16、心至塔设备中心线的距离，mmmm。egmMeen3.3.塔体稳定验算（压应力校核）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：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：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弯矩在塔体中引起的轴向应力：i1ei4pDi-i2ieim gDi-imax32iei4MD式中式中 计算截面处的最大弯矩，计算截面处的最大弯矩，i-imaxMi-ii-ii-ii-imaxwewemax 0.25MMMMM，n3.3.塔体稳定验算（压应力校核）塔体稳定验算（压应力校核）压应力校核压应力校核 塔设备的危险工况塔设备的危险
17、工况 内压塔设备为内压塔设备为工况工况，即：，即：外压塔设备为外压塔设备为操作操作工况工况，即：，即：ti-imaxcrmin KBK，i-i3i-i2maxi-i3i-i21max内压设备内压设备外压设备外压设备K=1.2n4.4.塔体拉应力验算塔体拉应力验算 内压塔设备为正常操作工况，即内压塔设备为正常操作工况，即 外压塔设备为非操作工况，即外压塔设备为非操作工况，即总结总结壁厚确定：综合按设计压力、稳定条件验算、抗壁厚确定：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拉强度验算三种情况确定的壁厚ei的大小，取其中较大值，的大小，取其中较大值，再加上壁厚附加量，并考虑制造、
18、运输、安装时刚度的要再加上壁厚附加量，并考虑制造、运输、安装时刚度的要求，最终确定塔体壁厚。求，最终确定塔体壁厚。i-i3i-i21max-i-i2i-i3max-内压设备内压设备外压设外压设备备n5.5.塔设备水压试验时的应力验算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环向应力 试验压力引起的轴向应力试验压力引起的轴向应力 重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弯矩引起的轴向应力TieiTei2pD液柱静压力Ti1ei4p Di-imax2iei3.14mgDi-iwe32iei0.30.785MMDn5.5.塔设备水压试验时的应力验算塔设备水压试验
19、时的应力验算 液压试验时圆筒材料许用轴向压应力：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：计算所得的各项应力应满足下列要求：scrmin 0.9KB，123s-0.9 cr32sT0.9轴向拉应力轴向拉应力环向应力环向应力n1.1.裙座的结构组成裙座的结构组成座体；座体；基础环；基础环；螺栓座；螺栓座；管孔管孔人孔、人孔、引出管孔、引出管孔、排气管孔等。排气管孔等。圆筒形裙座圆筒形裙座制造方便，经济上合理，应用广泛；制造方便，经济上合理，应用广泛；圆锥形裙座圆锥形裙座应用于高塔应用于高塔 （DNDN2525或或DNDN1m1m，且，且H/DNH/DN3030）。）。n
20、2.座体设计座体设计 基底危险截面基底危险截面 操作工况：操作工况：水压试验工况：水压试验工况：基底截面的最大弯矩，基底截面的最大弯矩，NmmNmm；基底截面的风弯矩，基底截面的风弯矩，NmmNmm；m m0 0塔设备的操作质量，塔设备的操作质量，kgkg；m mmaxmax设备的最大质量，设备的最大质量，kgkg；Z Zsbsb基底截面的抗弯截面模量（基底截面的抗弯截面模量（），），mm3mm3；A Asbsb基底截面的面积（基底截面的面积（3.14D3.14DisisS Ss s），），mm2mm2；D Disis座体基底截面的内直径，座体基底截面的内直径，mmmm；设计温度下座体材料的许
21、用应力，设计温度下座体材料的许用应力，MPaMPa；S Ss s座体计算壁厚，座体计算壁厚，mmmm。tssb0sb0-0max BminAgmZM，ssbmaxsbe0-0w0.8 BminAgmZM0.3M，0-0maxM0-0wM tss2isS0.785Dn2.座体设计座体设计 基底危险截面基底危险截面操作工况操作工况 水压试验工况水压试验工况 n2.座体设计座体设计 人孔危险截面人孔危险截面 操作工况：操作工况：水压试验工况：水压试验工况：人孔或较大管线引出孔处最大弯矩，人孔或较大管线引出孔处最大弯矩，NmmNmm；人孔或较大管线引出孔处风弯矩，人孔或较大管线引出孔处风弯矩，NmmN
22、mm；人孔或较大管线引出孔处以上设备操作质量，人孔或较大管线引出孔处以上设备操作质量，kgkg；人孔或较大管线引出孔处以上设备液压试验质量，人孔或较大管线引出孔处以上设备液压试验质量，kgkg；Z Zsmsm人孔或较大管线引出孔处抗弯截面模量。人孔或较大管线引出孔处抗弯截面模量。tssm1-10sm1-1max BminAgmZM，ssm1-1maxsme1-1w0.8 BminAgmZM0.3M，1-1maxM1-1wM1-10m1-1maxmn2.座体设计座体设计 人孔危险截面人孔危险截面 A Asmsm人孔或较大管线引出孔处的截面积。人孔或较大管线引出孔处的截面积。A Am m=2=2l
23、m mS Sm m mm mm2 2 b bm m人孔或较大管线引出孔接管处水平方向的最大宽度，人孔或较大管线引出孔接管处水平方向的最大宽度，mmmm；S Seses裙座有效壁厚，裙座有效壁厚，mmmm；lm m人孔或较大管线引出孔加强段长度，人孔或较大管线引出孔加强段长度，mmmm；D Dimim、R Rimim人孔或较大管线引出孔处裙座截面内直径和内半径，人孔或较大管线引出孔处裙座截面内直径和内半径，mmmm；S Sm m人孔或较大管线引出孔处加强段的厚度，人孔或较大管线引出孔处加强段的厚度，mmmm。mesimmes2imsmZ-2SDb-S0.785DZ2im2immesm2b-2Dl
24、2SZmmmesimsmA-Sb-SDAn3.基础环设计基础环设计 基础环尺寸的确定基础环尺寸的确定D Disis裙座基底截面的内径，裙座基底截面的内径，mmmm；D D0b0b基础环外径，基础环外径，mmmm；D Dibib基础环内径，基础环内径，mmmm；400)(200DDis0b400)(200-DDisibn3.基础环设计基础环设计 基础环厚度计算基础环厚度计算 基础环底面上所产生的最大组合轴向压应力为：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，基础环的抗弯截面模量，mm3；Ab基础环的面积，基础环的面积，mm2；Sb基础环的厚度，基础环的厚度，mm；须满足
25、须满足 Ra（混凝土基础的许用应力）（混凝土基础的许用应力）be0-0wbmaxb0b0-0maxbmaxZM0.3MAgm AgmZMmax，0b4ib40bb32D)D-3.14(DZ 2ib20bbD-D0.785A bmaxn3.基础环设计基础环设计 基础环厚度计算基础环厚度计算 基础环底面上所产生的最大组合轴向压应力为：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，基础环的抗弯截面模量，mm3；Ab基础环的面积，基础环的面积，mm2；Sb基础环的厚度，基础环的厚度，mm；须满足须满足 Ra（混凝土基础的许用应力）（混凝土基础的许用应力）基础环上的最大压应力值基础
26、环上的最大压应力值 认为是作用在基础认为是作用在基础环底面上的均匀载荷。环底面上的均匀载荷。be0-0wbmaxb0b0-0maxbmaxZM0.3MAgm AgmZMmax，0b4ib40bb32D)D-3.14(DZ 2ib20bbD-D0.785A bmaxbmaxn3.基础环设计基础环设计 基础环厚度计算基础环厚度计算 A.A.基础环上无筋板时基础环上无筋板时，基础环作为悬壁梁，在均布载荷的，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：作用下，其最大弯曲应力为：基础环厚度计算：基础环厚度计算：B.B.基础环上有筋板基础环上有筋板时，基础环的厚度计算：时，基础环的厚度计算：b
27、2b2bmaxbmaxmax6S12bZM，bbmaxbb1.73Sbsb6MSM Ms s计算力矩；取矩形板时计算力矩；取矩形板时X X，Y Y轴的弯矩轴的弯矩M Mx x，M My y中的绝对值较大者，按表中的绝对值较大者，按表17-917-9计算，计算，N.m/mN.m/m。基础环厚度求出后，应加上壁厚附加量基础环厚度求出后，应加上壁厚附加量2mm2mm，并，并圆整到钢板规格厚度，但不得小于圆整到钢板规格厚度，但不得小于12mm12mm。n4.4.基础螺拴计算基础螺拴计算 基础中由螺栓承受的最大拉应力为：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，设备底部截面地震弯矩，NmmN
28、mm。如果如果B B00，则设备自身足够稳定，为了固定设备位置，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。应使用一定数量的地脚螺栓。如果如果B B0 0，则设备必须安装地脚螺栓，并须进行计算。计，则设备必须安装地脚螺栓，并须进行计算。计算时可先按算时可先按4 4的倍数假定地脚螺栓数量的倍数假定地脚螺栓数量n n，此时地脚螺栓的，此时地脚螺栓的根部直径根部直径d d1 1：b0be0-0E0-0Ebminbe0-0wBAgm-ZM0.25MM Agm-ZMMmax，0-0EM4btbB1CnA4dn5.5.裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接 裙座与塔体连接焊缝结构裙座与塔体连
29、接焊缝结构对接结构对接结构搭接结构搭接结构n5.5.裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接 裙座与塔体连接焊缝结构裙座与塔体连接焊缝结构对接结构对接结构(a)(a)搭接结构搭接结构(b)(c)(b)(c)对接焊缝特点对接焊缝特点：裙座与塔体直径相等，对齐焊在一起。对接焊：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。体底封头的椭球面上，封头受力情况较差。搭接焊缝特点搭接焊缝特点：裙座内径稍大于塔体外径，裙座搭焊在底封头：裙座内径稍大于塔体外径，裙座搭焊在底封头的
30、直边上。搭接焊缝承载后作剪切变形，受力情况不佳；对封的直边上。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。头来说，受力情况较好。n5.5.裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接 裙座与塔体对接焊缝的验算裙座与塔体对接焊缝的验算 对接焊缝的最大拉应力校核：对接焊缝的最大拉应力校核：D Ditit裙座顶部截面的内径，裙座顶部截面的内径，mm；裙座与塔体搭接焊缝的验算裙座与塔体搭接焊缝的验算 焊缝总剪切应力：焊缝总剪切应力：twesitj-j0es2itj-jmaxw0.6 S3.14Dgm-S0.785DgMtwwej-jwwj-jmaxwj-jmaxwj-j0w0.8 ZM0.3
31、MAgm ZMAgmmax，n5.5.裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接 裙座与筒体搭接焊缝所承受的设备操作质量，裙座与筒体搭接焊缝所承受的设备操作质量，kgkg；水压试验时设备的总质量水压试验时设备的总质量(不计裙座质量不计裙座质量)，kgkg；AwAw焊缝抗剪截面积，焊缝抗剪截面积，ZwZw焊缝剪切截面模量，焊缝剪切截面模量，mmmm3 3；D D0t0t裙座顶部截面的外径，裙座顶部截面的外径，mmmm；焊缝材料设计温度许用应力，与裙座材料相同，焊缝材料设计温度许用应力，与裙座材料相同，MPaMPa；裙座与筒体搭接焊缝处截面的最大弯矩，裙座与筒体搭接焊缝处截面的最大弯矩，NmmNmm；裙座与筒体搭接焊缝处截面的风弯矩，裙座与筒体搭接焊缝处截面的风弯矩，NmmNmm。j-j0mj-jmaxmes0twS2.2DAes20twS0.55DZtwj-jmaxMj-jmaxMj-jwM
