塔式容器讲解概要.ppt

塔式容器 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 目录一塔式容器的现行标准 规范二JB4710 塔式容器 修订内容简介三JB4710 塔式容器 适用范围四设计基础五材料六塔计算七结构设计八 塔的制造 检验与验收要求九 横风向的风力和风弯矩计算 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 一 塔式容器的现行标准 规范 JB4710 钢制塔式容器 SH3098 2000 石油化工塔器设计规范 HG20592 1998 塔器设计技术规定 SH3088 1998 石油化工塔盘设计规范 SH3048 1999 石油化工钢制设备抗震设计规范 JB T1205 2001 塔盘技术条件 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 二 JB4710 钢制塔式容器 修订内容简介 JB4710主要修订内容如下 根据GB150 1998修改了相关内容 根据GB50009 2001 建筑结构载荷规范 修改相关内容 根据GB50011 2001 建筑抗震设计规范 修改相关内容 增设了裙座隔气圈结构 补充了有关分段交货的内容 中国石化集团宁波工程有限公司 增加了横向风的风振计算 取消高振型近似地震弯矩的计算 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 三 钢制塔式容器 JB4710 范围 3 1适用范围1 规定了钢制塔式容器的设计 制造 检验与验收的要求2 设计压力不大于35MPa 高度H 10m 且H D 5的裙座自支承钢制塔式容器 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 D 平均直径 D1 3 2不适用范围1 带有拉牵装置的塔式容器2 由操作平台联成一体的排塔或塔群从静力计算角度 塔是一细高的构筑物 除承受内 外 压外 还承受风载荷 地震载荷以及质量载荷 因此高度愈高 H D愈大 其弯曲应力亦愈大 反之 对于低矮塔或H D较小的塔 尽管风载荷 地震载荷不见得小 但由于低塔力臂较小 计算截面的弯矩相对较小 所以壳体的弯曲应力不会太大 其塔壁厚可能取决压力或最小壁厚 因此标准规定H 10m的使用范围 1 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 至于在工程设计中遇到10m以下塔如何处理 我们推荐方法如下 1 根据GB150 按内 外 压确定塔壳有效厚度 名义厚度2 水平地震力计算 近似按单质点考虑 Pe 0 5 emog设防烈度7度8度9度 e地震影响系数0 230 450 93 水平风载荷Pw 0 95fiDH H 10 6 中国石化集团宁波工程有限公司 4 风 地震弯矩计算5 应力校核风载荷 地震载荷属于动载荷 即载荷大小 方向及作用点是随时间变化的 由于动载荷使塔器产生加速度而引起惯性力 并使塔发生振动 振动过程中塔的位移和内力不仅与自身的几何尺寸有关 而且与塔的自身动力特性相关 即自振周期 振动型式 载荷的变化规律 对于自支承的塔 可将简化为一底部固定 顶端自由的悬臂梁 其振动型式为剪切振动 弯曲振动 或剪 弯联合作用的振动 究竟是那种振动型式 主要取决于长细比 H D 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 当H D 5塔的振动以为主510弯曲振动为主标准排除了H D 5的剪切振动 同时略去了5 H D 10的剪切分量的影响 即塔的风载 地震计算仅考虑弯曲振动 其理由 a 简化地震计算及自振周期计算 即一端自由一端固定的悬臂梁 做平面弯曲振动 b 经振动的动力分析 由于有剪切变形 使构件刚度降低 自振周期偏大 所以在地震反应谱中的 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 地震影响系数偏低 因此 水平地震力较低 但由于忽略了剪切变形的影响 计算时 自振周期比实际值小 从反应谱曲线T F地 M地震弯矩较考虑剪切变形时要大 因此在工程设计上趋于保守 是安全可行的 标准中地震载荷和风载荷计算公式 是以塔在地震载荷和风载荷作用下产生弯曲振动为主给出的 因此 JB4710规定了H D 5的使用范围 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 四 设计基础 4 1定义a 压力 除注明外 均指表压力 b 工作压力 在正常工作时 容器顶部可能达到的压力 c 设计压力 设定的容器顶部的最高工作压力 与相应的设计温度一起作为设计载荷条件 其值不低于工作压力 d 计算压力 在相应的设计温度下 用以确定元件厚度的压力 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 d 计算压力 在相应的设计温度下 用以确定元件厚度的压力 e 设计温度 在正常工作情况下 设定的元件的金属厚度 沿元件金属截面的温度平均值 4 2设计压力的确定4 2 1JB4710规定 工作压力小于0 1MPa的内压塔容器 设计压力不小于0 1Mpa 即无论其工作压力大小均属于压力容器范畴 塔的设计 选材 制造和检验都必须遵守GB150的规定 对于工作压力是常压 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 且是密闭不与大气相通的塔器 设计压力取0 1MPa 4 2 2GB150中3 5 1条 指出了在确定容器设计压力时 应考虑的问题 4 2 3SH3074 95 石油化工钢制压力容器 和压HG20580 1998 钢制化工容器设计基础规定 对设计压力的确定作了详细的规定 4 2 4当工程设计中另有规定时 其设计压力按有关规定执行 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 2 5对于真空塔器 按承受外压设计 当装有安全泄放装置 真空泄放阀 设计压力取1 25倍的最大内 外压力差或0 1MPa两者中的较小值 当没有安全泄放装置时取0 1MPa 4 2 6法兰当量设计压力 或称法兰当量计算压力 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 当塔体采用设备法兰连接时 法兰除承受内 外 压外 还承受塔自重 风载荷 地震载荷 偏心载荷或管道推力等引起的轴向力和力矩 所以应将法兰所承受的轴向力 力矩 弯矩 连同塔的内压力折合成一个当量设计压力 在选用标准设备法兰的压力等级或非标准法兰的设计压力时应不小于法兰当量设计压力 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 M 外力矩 法兰面处的最大力矩 F 轴向外载荷 拉力 DG 垫片压紧力作用中心圆直径P 设计内压力4 3计算压力在相应的设计温度下 用以确定元件厚度的压力 其中包括液柱静压力 当静压力小于5 设计压力时 可忽略不计 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 4试验压力系指在压力试验时 塔器顶部的压力 卧置试压时 应加上液柱静压力 同时应注意试验压力对管法兰压力等级的影响 4 5设计温度4 5 1塔的设计温度是指塔在正常工作情况下 设定元件的金属温度 设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件 图样或铭牌上标注的设计温度应是壳体设计温度的最高值或最低值 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 5 2GB150和JB4710 2005指出了在确定容器设计温度时的原则 4 5 3关于设计温度确定的细则 详见以下标准 SH3074 95 石油化工钢制压力容器 HG20580 1998 钢制化工容器设计基础规定 SH3098 2000 石油化工塔器设计规范 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 5 4对于带保温 冷 的塔器的设计温度 SH3098规定如下 参见下表 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 塔器设计温度 不包括裙座 4 5 5工程设计中另有规定时 其设计温度按工程规定 4 5 6裙座和地脚螺栓的设计温度 a JB4710 2005版规定 裙座壳和地脚螺栓的设计温度应取使用地区月平均最低气温的最低值加10 b SH3098对裙座壳的设计温度的规定见下表 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 裙座设计温度 环境温度 取GBJ19 88 采暖通风与空气调节设计温度 中的冬季空气调节室外计算温度 表中T为塔或塔釜设计温度 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 裙座作为塔器的一个重要支承元件 据GB150的规定 容器各部分工作状态下的金属温度不同时 可分别设定各部分的设计温度 而裙座直接与压力容器 塔 焊成一体 裙座的工作温度不仅要考虑环境温度的影响 而且还应注意塔釜设计 或操作 温度的影响 特别是高温或低温塔器 否则会由于设计温度确定不当 造成选材不合理 因此SH3098考虑到裙座上 下部分既受塔釜温度的影响 又受环境温度的影响 对裙座设计温度作较为详细的规定 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 6载荷设计时应考虑的载荷a 压力载荷 设计压力 液柱静压力 试验压力 b 重力载荷 塔器自重 含内件 填料 物料重 压力试验的液体附属设备及保温 管道 梯子平台等 c 偏心载荷 d 动载荷 风载荷和地震载荷 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 需要时 还应考虑的载荷e 连接管道和其它部件引起的作用力 f 温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力 g 包括压力急剧波动的冲击载荷 h 冲击反力 如由流体冲击引起的反力等 i 运输 吊装的作用力 4 7厚度及厚度的附加量4 7 1塔壳加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 a 碳钢 低合金钢塔器为2 1000Di 且不小于4mm b 高合金钢制塔器不小于3mm c 在满足a b的前提下 为保证塔器在制造 运输 吊装时的刚度 设计 制造 安装单位应就具体情况确定 是否采用临时加固措施 4 7 2复合钢板复层的最小厚度应满足以下要求 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 为保证工作介质干净 不被铁离子污染 采用的复合板其复层公称厚度不小于2mm 为防腐采用的复合钢板其复层不应小于3mm4 7 3不锈钢堆焊层在加工后的最小厚度为3mm 4 7 4塔盘最小厚度 详见SH3098第2 5 5节或SH3088 石油化工塔盘设计规范 塔盘受液盘降液板碳钢4 浮伐塔盘 4 6 不可拆 4 6不锈钢222 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 7 5裙座壳的名义厚度不得小于6mm JB4710 92版为有效厚度不小于6mm 4 7 6在GB150 塔器JB4710的标准中规定 壳体的实际厚度 成形后的厚度 均不得小于名义厚度减去钢板厚度负偏差 4 7 7厚度负偏差C1a 当钢板厚度负偏差不大于0 25mm 且不超过名义厚度的6 时 负偏差可忽略不计 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 GB6654 GB3531由于钢板厚度负偏差全部为0 25mm 故可不计C1 b SH3098为便于设计人员查找方便 列出了常用钢板 钢管的厚度负偏差的表格 4 7 8腐蚀裕量C2a 腐蚀裕量 腐蚀裕量应根据金属材料在介质中的腐蚀速率和塔器的设计寿命确定 C2 NF dc2 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 NF 设计寿命对炼油和石油化工类的塔器 一般取15 20年dc2 年腐蚀速率mm 年b 塔器主要元件的腐蚀裕量的选取可参见下表 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 注 两侧同时与介质接触的元件应根据两侧不同的工作介质选取不同的腐蚀裕量 两者叠加作为总的腐蚀裕量 c 当实际工程设计中另有规定或实际使用经验时可根据具体的工程规定或经验确定腐蚀裕量C2 4 8许用应力4 8 1受压元件用钢和螺栓材料的许用应力按GB150选取 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 8 2塔器设计温度低于20 时 应取20 的许用应力 4 8 3不锈钢复合钢板的许用应力 JB4710新版规定 对于复层与基层结合率达到JB4733标准中的B2级以上的复合钢板 在设计计算中 如需计入复层材料的强度时 其设计温度下的许用应力可按下式 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 8 4非受压元件材料的许用应力 除裙座壳 地脚螺栓座和地脚螺栓材料的许用应力另有规定外 其余可按现行的 钢结构设计规范 GB50017的规定选取 4 8 5对于塔整体按常规设计 局部元件进行应力分析的设备 其局部应力分析处元件的许用应力应按常规设计标准选取 4 9焊接接头系数 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 4 9 1按GB150和GB4710的规定 4 9 2在计算壳体壁厚时 内压引起的 所用的焊接接头系数为纵向焊接接头系数 在塔壳组合应力校核时 内压 风 地 所用的是环向焊接接头系数 4 10压力试验4 10 1压力试验的目的是在超工作压力条件下验证设备整体的强度 以及焊缝的致密性及密封结构的严密性 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 试验压力取值按GB150的规定 塔器的液压试验允许采用立试和卧试 卧试时应加上液柱静压力 4 11气密性试验4 11 1气密性试验的目的是检查密封面的严密性及焊缝的致密性 4 11 2GB150规定 盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器须进行气密性试验 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 容规 规定 介质毒性程度为极度 高度危害或设计上不允许有微量泄漏的压力容器 必须进行气密性试验 五 材料5 1受压元件的材料选用原则按GB150的规定 5 2受压元件材料的选用细则 可参考以下标准 SH3074 石油化工钢制压力容器 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 SH3075 石油化工钢制压力容器材料选用标准 S T3096 2001 加工高硫原油重点装置主要设备选材导则 HG20581 1998 钢制化工容器材料选用规定 5 3非受压元件5 3 1GB150和JB4710规定 与受压元件相焊的非受压元件应是焊接性能良好的钢材 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 因此与塔的受压元件相焊的非受压元件用钢 除能满足操作条件 物料 载荷等 要求外 应是可焊性能良好的 且不会导致受压元件性能改变的钢材 如CrMo钢 低温用钢 不锈钢制塔器中的非受压元件 如塔内支承板 支架 裙座材料 塔外部连接件的垫板等 的选材 应与塔体材料一致 5 4裙座壳的材料 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 5 4 1JB4710规定 裙座壳用材按受压元件用钢要求选取 其理由可能是裙座是塔器非常重要的支承元件 裙座的失稳或损坏直接影响塔器的正常使用 而且裙座材料用量不大 提高它的用材要求经济上不会造成太大的浪费 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 裙座不承受压力载荷 也不与工作介质直接接触 应该属于非受压元件 但是它的失效 不仅影响塔或整个工艺系统的正常运行 而且还可能造成极大的危害 破坏 或者是二次危害 因此 它是一个非常重要的非受压元件 受力元件 日本JPI 7R 35 带裙座塔器的强度计算 标准中指出 对于裙座材料采用区分受压元件和支承构件的方法处理选材 即把直接焊接在塔器 塔 受压部分的作为受压元件 除此之外的作为支承构件 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 具体的说 受压元件是指裙座最上面的一段 也就是过渡段 除上面部分之外的裙座壳 地脚螺栓座 基础环等作为支承件 美国ASME 导则 指出 非受压元件用材 如裙座 支座 吊耳 折流板 内件等 不必限于与其连接的受压元件材料以及本标准所用的材料标准 但与受压元件直接焊接者 应具有可焊性 因此根据JB4710的原则及国内塔的裙座设计的多年实践经验 并参照了国内的标准规范SH3098及HG20652 对裙座的选材作了较为详细的规定 如下 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 5 4 2裙座选材原则如下 a 裙座与塔体受压元件 塔封头等 相焊后对受压元件材料性能的影响 b 考虑塔釜操作温度 c 考虑建塔地区环境温度的影响 d 安全 经济合理 5 4 3一般情况 裙座壳体采用同一种材料 当满足下列条件之一者 应采用带有过渡段的裙座 过渡段的材料与塔 封头 材料一致 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 1 塔 或塔釜 设计温度T 20 或T 350 2 裙座壳体与塔下封头相焊 将影响封头材料性能时 如 塔 封头 材料为低温用钢 不锈钢 铬钼钢等 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 a 对于1 条 当塔 或塔釜 的设计温度T 20 塔釜材料一般采用低温钢 如果裙座壳采用碳钢 如Q235 A 与封头相焊 其焊接接头及裙座壳上部达到或接近低温状态 裙座壳体的韧性将会降低 同时此处受力状态本来就比较复杂 结构不连续应力 热应力 局部应力等 和恶劣 属于高应力区 加之碳钢材料的韧性下降 将会使此处的焊接接头处及附近区域工况更加不利 GB150附录C规定 承受较大的载荷 需作强度计算的非受压元件用钢 应具有受压元件相等的韧性 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 因此规定当塔釜设计温度T 20 时 采用与塔封头材料相同的过渡段 b 塔釜设计温度T 350 时 靠近塔釜的裙座上部温度将远高于环境温度 若将环境温度作为裙座设计温度 显然不合适 但是如果以塔釜设计温度作为裙座设计温度来确定裙座壳将很厚 如果整体采用厚的裙座壳体 将很不经济 所以需采用过渡段 c 塔的下封头为铬钼钢 抗氢钢 耐热钢 裙座壳体为碳钢时 二者相焊可能改变铬钼钢的金相组织和性能 以及焊接接头质量 因为铬钼钢材料对焊接裂纹很敏感 对其化学成分 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 微量元素 S P Sn AL等 都有严格要求 故采用过渡段 C 封头为不锈钢时 若用碳钢裙座与不锈钢塔体 封头 相焊将可能改变不锈钢奥氏体组织 焊接时 由于C的稀释 有可能产生碳化铬 由于C与Cr的亲和力强 而造成贫铬 影响不锈钢的抗晶间腐蚀性能 同时焊接接头有可能有马氏体存在 变硬 变脆 5 4 4SH3098规定 对符合设过度段条件但高度低于2 5m的裙座 可不设过度段 这是由于塔裙座较低 设过渡段的意义不大 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 但裙座壳材料与塔 封头 材料必须一致或相近 5 4 5过渡段长度一般不小于300mm 但当T 20 或T 350 时 取4 6倍保温层厚度 且不小于500mm 5 4 6推荐的裙座壳体材料1 裙座本体材料 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 注 裙座设计温度T 见前面4 5 6表对于符合设置过渡段条件 但高度小于2 5米的裙座 裙座本体材料应与塔体 或封头 材料相同或相近 2 过渡段材料应与塔体 或封头 材料相同或相近 5 4 7当裙座本体 包括无过渡段和有过渡段的裙座本体 材料采用Q235 D Q345 D Q345 E时 其材料质量证明书中应具有低温冲击韧性的保证值 如下表 或者在图样技术条件要求中提出 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 5 4 8裙座壳体的许用应力a 裙座壳体材料 包括本体或过渡段 与塔釜材料相同时 其许用应力与塔釜材料的许用应力相同 b 当裙座本体 包括无过渡段和有过渡段的裙座 设计温度等于或低于200 时 材料的许用应力按下表 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 5 4 9地脚螺栓座 基础环板 盖板 筋板 的材料应是碳钢或低合金钢 其许用应力如下 1 碳钢的基础环板 盖板 筋板材料的许用应力为147Mpa 2 低合金钢的基础环板 盖板 筋板材料的许用应力为170Mpa 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 5 5地脚螺栓材料及其许用应力 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 六塔计算6 1塔体的强度计算和稳定校核内容1 按设计压力 设计温度确定塔体圆筒及封头有效厚度 2 塔的自振周期计算 3 风载荷 地震载荷计算及强度 稳定性校核 必要时 要进行以下计算 4 计算由管道推力 悬挂重物或吊装用吊耳在塔体上引起的局部应力 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 5 塔筒节采用法兰连接时的法兰当量压力的计算 6 塔内件的强度计算 6 2塔的自振周期与振型塔设备除承受静载荷 压力 温度 重量和偏心载荷等 外 还承受动载荷 即风载荷和地震载荷 风载荷和地震载荷使塔体产生加速度并引起惯性力 由于惯性力的作用使塔体产生随时间变化的位移和内力 并使塔体沿载荷方向振动 塔的各截面的位移 内力与结构的自振周 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 期 自振频率 振动类型等有关 因此自振特性 自振周期 振型 阻尼 对塔器作动力计算是必要条件 当作地震和风载计算时 须事先求出塔的自振周期和振型 从结构动力学角度 理论上塔器属于无限自由度体系 等直径 等壁厚塔是无限自由度的弹性连续体 而对于不等直径 不等壁厚塔 为便于计算将其简化为多自由度体系 一般来说 塔有多少个自由度就有多少个自振周期和振型 自振周期由低向高排列 最低的自振周期称为基本振型周期 第一振型自振周期 依此为第二振型自振周期 第三振型自振周期 除第一自振周期外 均为高振型周期 每个周期对应着一种振型 中国石化集团宁波工程有限公司 振型就是塔的各质点在振动瞬间的位移 将塔的各质点位移连接起来形成一定形状的曲线 见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 基本振型第二振型第三振型 等直径 等壁厚塔的基本振型周期是将其作为弹性连续体通过解析法求得的 不等直径 不等壁厚塔的基本振型周期是将无限自由度体系简化为多自由度体系 通过折算质量法求得的 但是在计算水平风力及地震地震力时 等截面塔和不等截面塔均按多自由度体系 多质点 进行分析计算的 第二振型和第三振型的自振周期可分别近似取T2 1 6T1 T3 1 18T1 不等直径 不等壁厚塔的高振型自振周期按JB4710附录B计算 自振周期与质量和H D成正比 与塔壁厚成反比 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 6 3地震载荷6 3 1JB4710设防烈度在7度及7度以上 应进行塔的抗震设计计算 这里应注意 设防烈度 是按国家批准权限审定 作为一个地区抗震设防依据的地震烈度 地震等级 是反映震源在地震时所释放的能量大小 现通用里氏地震级 6 3 2抗震计算的理论基础 反应譜理论 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 反应譜理论是现阶段抗震计算的最基本理论 JB4710标准采纳了我国 建筑抗震设计规范 GB50011 2001推荐经修订的设计反应譜 地震影响系数曲线 地震影响系数曲线与震级 震中距 近震 远震 设计地震分组 场地土及结构阻尼有关 地震影响系数曲线由直线上升段 平台水平段 曲线下降段和直线下降段四部分组成 见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 地震影响系数曲线 max为水平地震影响系数最大值 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 Tg为各类场地土的特征周期 是与设计地震分组 即近震 远震 和场地土类别相关的物理量 见下表 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 特征周期值Tg 从上表可以看出 特征周期值Tg随着设计地震分组的增大及场地土的变硬而增大 因此远震或软场地土将使地震影响系数曲线的Tg平台拐点向右移动 即场地土的特征周期变大 故对长周期的塔设备 高柔构筑物 是不利的 反之 对近震或硬的场地土 其地震位移振幅小 场地土的特征周期较短 因此对低矮塔 刚性构筑物 破坏作用大 注 场地 系指建筑物所在地 其范围相当于工厂区居民区 自然村或不小于1 0km2的平面面积 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 场地土 是指场地范围内的地基土 不是塔的基础 近震 当场地的地震烈度是由于本地区和附近地区等于或比该场地的烈度高1度的地区所引起的 远震 当场地的地震烈度是由于附近地区高2度或2度以上的地震所引起的 场地土的软硬程度影响到地震波的传播 它具有滤波和放大效应 对于软质土 地震位移 振幅 大 周期长 而硬质土地震振幅小 周期短 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 6 3 3水平地震力任意高度处的水平地震力F1 1 1kmkg JB4710 92F1 CZ 1 1kmkg 式中 1为对应基本振型自振周期的地震影响系数 1k基本振型参与系数mk距地面高度hk处的集中质量 如前所述 无论是等截面塔还是不等截面塔的地震力计算 都是将塔器简化成多自由度体系 多质点 即将塔体沿高度分成若 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 干段 各段的质量集中在每段长度的1 2处 而使塔成为有若干个集中质量的多自由度体系 对塔进行分段时应注意 1 每段的直径和厚度必须相等 2 存在集中质量的塔器 应使集中质量的作用店位于该计算段的质量集中点 避免在同一计算段内形成两个质点 如 a板式塔中有塔盘的塔段和无塔盘部分 如塔下部塔釜或塔上部空间 应分为段 b填料塔中填料层和无填料层部分也应分为两个计算段 中国石化集团宁波工程有限公司 6 3 4地震弯矩计算任意截面处的地震弯矩 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 多质点体系基本振型示意图 当H 15 且H 20m时 须考虑高振型的影响 这是由于高塔基本振型周期较长 地震影响系数往往落在曲线的下滑段 地震影响系数 值较小 相应的地震力也偏小 但第二 第三振型的自振周期比基本振型周期要高出几倍或十几倍 故地震影响系数可能落在平台段共振区附近 等于或接近 max 显然地震力将很大 因此JB4710规定要考虑高振型的影响 6 3 5垂直地震力JB4710规定 设防烈度为8度 9度区的塔应考虑垂直地震力的作用 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 地震波含有横波和纵波 横波使构筑物左右晃动 纵波使构筑物上下运动 颠簸 通过地震记录发现垂直加速度有时可达到水平加速度的1 2或2 3 甚至超过水平加速度 因此将增加塔的轴向拉力 或压力 故JB4710规定设防烈度为8度 9度的塔应进行垂直地震力的计算 6 4风载荷6 4 1风载荷是室外塔承受的动载荷之一 塔在风的作用下 塔壳体除有轴向弯曲应力外 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 塔体本身还会有沿风向的顺风向振动和垂直风向的横向振动 过大的塔壳拉 压 应力会造成强度破坏和失稳 过大的挠度将影响塔的工艺操作及产生偏心弯矩 风诱导的横向振动可能会使塔器发生共振而失效 6 4 2顺风向水平风力P1 k1q0f1l1De1 10 6式中 k1 体形系数 表示稳定的风压作用在塔体表面分布状况 是实际压力与风速度压力的比值 中国石化集团宁波工程有限公司 k2 风振系数 风的作用除了考虑平均风速变化外 还要考虑阵风的影响 阵风引起风的脉动 是一个非周期性的随机的作用力 q0 基本风压值 各地区的基本风压值见JB50009 2001 建筑结构荷载规范 但均不得小于300N m2 风的气流吹到塔体是气流速度消失 风力由动能转变为静压能 即风压 按柏努利方程 其标准风压表达式为 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 为空气密度v0为当地空旷平坦地面10m高度处 50年一遇 重现期 10分钟平均风速f1 风压高度变化系数 系任意高度处风压与10m高度处风压的比值 在大气层内 风速随离地高度增高而升高 并且和地面粗糙度有关 直到距地面300 500m以上的地方 风速才不会受地面的影响 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 地面粗糙度是描述地面不规则障碍物分布状况的等级 新的荷载规范将地面粗糙度分为A B C D四个类别 De1 塔计算段的有效直径 即迎风面的宽度 De1 L 塔计算段的迎风面积总和 6 4 3风弯矩由于风压的大小是随高度变化的 因此在计算塔的风弯矩时 将塔体沿高度分成数个计算段 求出各段的风载荷 然后计算出需要 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 校核截面 或称危险截面 的风弯矩 分的计算段数越多 即段的长度越短 所计算的弯矩就越精确 注意塔的计算分段与按塔的厚度分段是两个不同的概念 塔任意截面的风弯矩 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 水平风力风弯矩实际分布图 6 5载荷的组合6 5 1塔器强度及稳定计算时应考虑的载荷a 操作时 内压 外压 操作质量 最大弯矩 b 压力试验时 试验压力 0 3风弯矩 偏心弯矩 塔质量 6 5 2裙座强度及稳定校核时考虑的载荷a 操作时 操作质量 最大弯矩 必要时垂直地震力 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 b 压力试验时 最大质量 0 3风弯矩 偏心载荷 6 5 3计算基础环板时的载荷a 操作时 操作质量 最大弯矩 必要时垂直地震力 b 压力试验时 最大质量 0 3风弯矩 偏心载荷 6 5 4计算地脚螺栓时的载荷 取以下两种载荷组合的最大值a 最小质量 风载荷 偏心载荷 b 操作质量 地震弯矩 0 25风弯矩 偏心弯矩 中国石化集团宁波工程有限公司 6 6塔的强度及稳定校核6 6 1强度及稳定性应力校核包括以下内容a 塔壳的轴向最大组合拉应力 最大组合压应力校核 b 裙座壳的最大组合轴向压应力校核 c 裙座与塔体连接焊缝的应力校核 对接为拉应力校核 搭接为剪应力校核 d 地脚螺栓座的基础环板厚度计算 筋板 盖板的应力校核 e 地脚螺栓最大拉应力计算及螺栓直径的确定 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 6 6 2塔壳进行应力校核的危险截面如下a 等直径塔变壁厚交界处的横截面 即同一厚度段的底部横截面 b 不等直径塔变径段的小端截面 c 塔的下封头切线处 或者是裙座与塔壳的横截面 d 裙座基础环板处裙座的横截面 e 裙座开孔水平中心线的最小截面 f 过渡段的底截面 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 6 6 3应力校核的许用值 见JB4710 其中K系数是载荷组合系数 K 1 2 风 地震 短期载荷 压力载荷及应力分布不一致 6 6 4塔的挠度计算及推荐的控制值1 塔顶部过大的挠度 可能会造成如下的影响 a 板式塔的塔板效率 气液传质 b 产生过大的附加偏心弯矩 c 连接法兰密封面处出现泄漏现象 d 操作检修人员的安全性 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 2 挠度计算按JB4710附录或SW6 3 推荐挠度控制值如下 a 当DN 100mm时 YD H 100 b 当1000 DN 2000mm时 YD 10 c 当DN 2000mm时 YD H 200 式中DN 塔公称直径 对不等直径按加权直径H 塔总高度mmYD 塔挠度值mm 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 6 6 5横风向的风力 风弯矩及防震措施JB4710规定 当塔高H大于30米 且H D 15的塔应进行横风向共振时风力和风弯矩的计算 见附录A产生横向风共振的原因 是由于卡漫涡旋的影响而产生风的诱导振动 其振动频率 周期 与塔的自振频率 周期 相近或相等时发生共振 共振时的风速称为临界风速 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 6 7局部应力计算6 7 1当塔体上作用以下外载荷时 必要时应进行塔的局部应力计算和校核 1 管道推力 力和力矩 2 外部附件的作用力 如悬挂支座 工艺配管的管架 整体吊装用的吊耳 6 7 2局部应力计算方法1 应力分析法2 美国焊接研究委员会WRC 107公报规定的局部计算方法 或用SW6计算软件包 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 七 结构设计7 1塔体结构7 1 1塔体各受压元件 包括筒体 封头 接管法兰等 的结构及焊接接头的设计应符合GB150的规定 还可参照相关的行业标准SH3074 HG20584的规定 7 1 2塔壳不等壁厚的划分原则根据塔的强度和稳定计算 对不等厚度塔段的划分应注意 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 1 分段数不宜过多 除特殊情况外 控制5段以内 不包括裙座 2 相邻段的厚度差不宜过大 一般2 4mm 3 不等厚度段与计算分段是不同的概念 7 2裙座7 2 1裙座一般采用圆筒形 当符合下面情况之一时 须选用圆锥形裙座 1 由于裙座圆筒底截面应力校核不合格 须增加底部截面 或截面惯性矩 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 2 需降低混凝土基础环顶面压应力 3 地脚螺栓数量过密 即间距过小 须扩大螺栓中心圆直径 螺栓间距过小 不能充分发挥钢筋混凝土的强度或减小混凝土的承载截面 7 2 2锥形裙座的半顶角不应超过15 由于半锥角增大时 锥座在轴向压力作用下 其临界许用应力下降很快 厚度要增加 同时锥壳与塔体的焊接接头的应力也会大大增加 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 2 3裙座壳体与塔釜封头的连接结构 1裙座与塔壳对接结构 见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 1 对接结构图中的 b 结构用于下列场合 aH D 20的高塔 b低温塔器 c裙座与封头焊缝处可能产生热疲劳的塔器 d裙座名义厚度大于16mm 2 采用对接结构时 裙座壳的直径a JB4710规定 裙座壳的外径宜与相连接塔封头外径相等 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 b SH3098规定 裙座壳内径宜与塔封头内径相等 同时规定 当裙座筒体与封头名义厚度差等于或小于8mm时 裙座外径与封头外径相等 从理论上分析 裙座壳体中径与封头直边段愈接近 其连接处的附加弯矩愈小 美国kellogg公司 英国BP公司规定筒体中径等于塔壳体中径 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 2裙座与塔壳搭接结构 见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 1 采用搭接结构时 裙座壳体可焊在塔釜封头上 其塔接焊缝至封头与塔壳体环焊缝的距离控制在 1 7 3 ns但不得与该焊缝连成一体 2 裙座壳体也可焊在塔圆筒体上 其搭接焊缝至封头与塔筒体的环焊缝距离不小于1 75 ns 防止热影响区重叠 7 2 4裙座排气管 引出管 检查孔 排净孔的设置 结构尺寸可按JB4710及SH3098的规定 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 2 5裙座上部隔热箱结构当塔釜的设计温度 350 JB4710为 400 时 为减小裙座与塔釜封头连接部位的温差应力和温度梯度 改善该部位的传热条件 在裙座的上部靠近塔封头处设置隔热箱 或称隔气圈 见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 JB4710新版 仅给出了结构图 SH3098给出了较为详细的隔气圈位置尺寸 SH3098隔气圈位置尺寸见下表 T 350 时设隔气圈 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 英国BP公司 规定当T 450 F 232 时 设隔气圈 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 日本东洋工程公司 T 400 时设隔气圈 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 应该指出对于高温且温度变化频繁的塔器 除设裙座上部隔气圈外 还应注意裙座与壳体连接处的热疲劳问题 建议采用应力分析法 进行温度场和热应力的分析计算及热疲劳计算 7 2 6裙座地脚螺栓座 1 常用地脚螺栓座结构a 外螺栓座 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 除基础环外 还有筋板 盖板与裙座壳体相焊 使其具有较大刚度 其焊缝可分担基础环焊缝承担的弯矩和力 SH3098给出供参考的详细结构尺寸 螺栓座上的盖板有两种形式 环形盖板和分块盖板 当螺栓间距小于或等于450mm或3 L3 G 时 采用环形盖板 盖板 筋板厚度计算公式的假设条件 1 分块盖板 简化为两端近似简支 筋板支承 均布载荷的梁 将地脚螺栓的作用力换算成作用在六角螺母内接圆面积上的均布载荷 中国石化集团宁波工程有限公司 2 整块盖板 简化为两端固定 筋板支承 的均布载荷的梁 3 筋板 简化为两端铰支的压杆 计算压应力 不考体对筋板的加强作用 4 基础环板 有筋板 作为均布载荷的矩形板 两边边简支筋板 一边固定 壳体 一边自由 无筋板 当成悬臂梁 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 单环板螺栓座 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 单环板螺栓座用于高度较低的塔器 立式容器 如高度小于10米的塔 结构尺寸详见SH3098 7 2 7地脚螺栓直径 数量及间距1 公称直径 M24 过小容易被拧断 设计时地脚螺栓直径宜留有一定的裕量 以适应未来的改造要求 2 地脚螺栓数量一般是4的倍数 且不少于8个 对直径较小的塔器 可以通过锥形裙座来解决螺栓数量和间距过小的问题 3 当塔的基础为混凝土结构时 地脚螺栓间距不宜小于350mm 间距过小不能充分发挥钢筋混凝土的强度或减小混凝土的承载截面 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 3人孔和手孔人孔和手孔的设置原则 结构形式 压力等级等SH3098 SH3074 HG20584行业标准中都有详细的规定 7 4进料管的支承结构进料管几种常用的支承结构 见图 及其尺寸 详见SH3098的规定 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 5缓冲挡板7 5 1当符合下列情况之一者 应在进口接管处 或液面计上部接管处 设置缓冲挡板 1 介质具有腐蚀性或磨损性 且 V2 740 V m s kg m3 2 介质无腐蚀性或磨损性 但 V2 2355 并直接对器壁或内件有冲刷 3 防止进行产生料峰 保证塔器稳定操作 4 为防止沿塔内壁流下的液体进入液面计上部接管而出现假液面或读数不准 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 5 2常用的缓冲挡板的接管见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 6防涡流挡板7 6 1符合下列情况之一者 塔底部液体出料管应设置防涡流挡板 1 与泵口直接相连的管口 2 为减少出口液体夹带气体 7 6 2几种常用的防涡流挡板结构 见下图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 7 1为减少雾沫夹带 在塔的顶部出口设置气体挡板或丝网除沫器 一般由工艺专业提出 7 7 2一般的气体出口挡板结构尺寸见图 中国石化集团宁波工程有限公司 2005 10 19 7 7 3标准的丝网