化工机械基础(第三版)第十二章 塔设备强度设计计算课件

1、第十二章塔设备强度设计计算第十二章塔设备强度设计计算主要内容：主要内容： 了解塔所承受载荷的特点。了解塔所承受载荷的特点。 熟悉塔体和裙座承受的各项载荷计算及强度校核步骤。熟悉塔体和裙座承受的各项载荷计算及强度校核步骤。 能够确定塔体和裙座体危险截面，并掌握塔体壁厚的能够确定塔体和裙座体危险截面，并掌握塔体壁厚的校核方法。校核方法。一、塔体强度计算一、塔体强度计算室外室外H H/ /D D较大的塔，较大的塔，操作压力、质量载荷、操作压力、质量载荷、风载荷、地震载荷、风载荷、地震载荷、偏心载荷等。偏心载荷等。 按设计压力计算筒体及封头壁厚按设计压力计算筒体及封头壁厚按第十章按第十章 容器设计基础

2、容器设计基础 中内压、外压容器的设计方法，中内压、外压容器的设计方法，计算塔体和封头的有效厚度。计算塔体和封头的有效厚度。 塔设备所承受的各种载荷计算塔设备所承受的各种载荷计算以下要讨论的载荷主要有：以下要讨论的载荷主要有： 操作压力；操作压力； 质量载荷；质量载荷； 风载荷；风载荷； 地震载荷；地震载荷； 偏心载荷。偏心载荷。 操作压力操作压力内压塔，周向及轴向拉应力；内压塔，周向及轴向拉应力；外压塔，周向及轴向压应力。外压塔，周向及轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。操作压力对裙座不起作用。 质量载荷质量载荷塔设备质量包括：塔设备质量包括：mm1 1: :塔体和裙座质量；塔体和裙座质量；m

3、m2 2: :内件；内件；mm3 3: :保温材料；保温材料；mm4 4: :平台、扶梯质量；平台、扶梯质量；mm5 5: :操作时塔内物料质量；操作时塔内物料质量；mma a: :人孔、接管、法兰等附件质量；人孔、接管、法兰等附件质量；mme e: :偏心；偏心；mmww: :液压试验时，塔内充液质量；液压试验时，塔内充液质量；操作停修或水压试验等不同工况物料或充水质量。操作停修或水压试验等不同工况物料或充水质量。mm1 1: :塔体和裙座质量；塔体和裙座质量；mm2 2: :内件质量；内件质量；mm3 3: :保温材料质量；保温材料质量；mm4 4: :平台、扶梯质量；平台、扶梯质量；mm

4、5 5: :操作时塔内物料；操作时塔内物料；mma a: :人孔、接管等附件；人孔、接管等附件；mme e: :偏心质量；偏心质量；mmww: :液压试验塔内充液液压试验塔内充液设备操作时质量：设备操作时质量：MM0 0=mm1 1+ +mm2 2+ +mm3 3 + +mm4 4+ +mm5 5+ +mma a+ +mme e 设备最大质量（水压试验时）：设备最大质量（水压试验时）：MMmaxmax=mm1 1+ +mm2 2+ +mm3 3 + +mm4 4+ +mmww+ +mma a+ +mme e设备最小质量：设备最小质量：mmminmin = =mm1 1+0.2+0.2mm2 2

5、 + +mm3 3+ +mm4 4 + +mma a+m+me e 0.20.2mm2 2: :部分内件焊在塔体部分内件焊在塔体空塔吊装，如未装保温层、平台、空塔吊装，如未装保温层、平台、扶梯等，则扶梯等，则mmminmin应扣除应扣除mm3 3和和mm4 4。3. 3. 风载荷风载荷室外自支承塔为悬臂梁。室外自支承塔为悬臂梁。产生风弯矩，产生风弯矩，迎风面拉应力，迎风面拉应力，背风面压应力。背风面压应力。塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于风向的诱发振动弯矩。只塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于风向的诱发振动弯矩。只在塔在塔H H/ /D D较大、风速较大时较明显，一般可忽略。考虑两弯矩较大、风速

6、较大时较明显，一般可忽略。考虑两弯矩矢量叠加。矢量叠加。（1 1）水平风力的计算）水平风力的计算迎风面产生风压。与风速、迎风面产生风压。与风速、空气密度、地区和季节有关。空气密度、地区和季节有关。各地离地面各地离地面10m10m处处3030年一遇年一遇1010分钟内平均风速最大值作为计算分钟内平均风速最大值作为计算风压，得到该地区的基本风压风压，得到该地区的基本风压q q0 0，见表，见表12-212-2。风速随地面高度而变化。塔高于风速随地面高度而变化。塔高于10m10m，应分段计算风载荷，应分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘以高度变化系数视离地面高度的不同乘以高度变化系数f fi i，见

7、表，见表12-312-3。风压还与塔高度、直径、形状以及自振周期有关。两相邻计风压还与塔高度、直径、形状以及自振周期有关。两相邻计算截面间的水平风力为：算截面间的水平风力为： P Pi i- -水平风力；水平风力；q q0 0- -基本风压值，见表基本风压值，见表4-264-26，但均不应，但均不应小于小于250N/250N/2 2；f fi i- -风压高度变化系数，表风压高度变化系数，表12-3 12-3 L Li i- -第计算段长度；第计算段长度； D Dei ei- -塔各计算段有效直径；塔各计算段有效直径； K K1 1- -体型系数，圆柱直立设备体型系数，圆柱直立设备0.70.7

8、K K2i2i- -各计算段风振系数，各计算段风振系数，602110eiiiiiDLfqKKPz- z-脉动增大系数，按表脉动增大系数，按表12-412-4查取；查取；V Vi i- -第第i i段脉动影响系数，按表段脉动影响系数，按表12-512-5查查 f fzi zi- - 第第i i段振型系数，根据段振型系数，根据H Hi i/ /H H与与mm查表查表12-612-6；K K2i2i- -塔设备各计算段的风振系数，塔设备各计算段的风振系数，当塔高当塔高H H20m20m时，取时，取K K2i2i=1.7=1.7；当当H H20m20m时，时，iziiifvK 12（2 2）风弯矩）风

9、弯矩任意截面的风弯矩：任意截面的风弯矩：602110eiiiiiDLfqKKP一般习惯自地面起每隔一般习惯自地面起每隔10m10m一段，一段，风压定值。求出风载荷风压定值。求出风载荷P Pi i22221211iiiiiiiiiiiwLLLPLLPLPM等直径、等壁厚塔体和裙座，等直径、等壁厚塔体和裙座，风弯矩最大值为最危险截面。风弯矩最大值为最危险截面。变截面塔体及开有人孔的裙变截面塔体及开有人孔的裙座体，各个可疑的截面各自座体，各个可疑的截面各自进行应力校核。进行应力校核。图中图中0-00-0、1-11-1、2-22-2各截面都各截面都是薄弱部位，可选为计算截是薄弱部位，可选为计算截面。面

10、。4. 4. 地震载荷地震载荷地震烈度七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷。地震烈度七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷。地震波作用下：地震波作用下： 水平方向振动水平方向振动 垂直方向振动垂直方向振动 扭转扭转 其中以水平方向振动危害较大。其中以水平方向振动危害较大。 计算地震力时，仅考虑水平地震力，并把塔设备看成是悬计算地震力时，仅考虑水平地震力，并把塔设备看成是悬臂梁。臂梁。（1 1）水平地震力）水平地震力实际全塔质量按全塔或分段均实际全塔质量按全塔或分段均布。布。计算地震载荷与计算风载荷一计算地震载荷与计算风载荷一样，将全塔沿高度分成若干段，样，将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视

11、为集中于该段每一段质量视为集中于该段1/21/2处。处。F FK1K1- -mmK K引起的基本振型水平地震力引起的基本振型水平地震力C Cz z- -综合影响系数，直立圆筒综合影响系数，直立圆筒C Cz z=0.5=0.5；mmK K- -距离地面距离地面h hK K处的集中质量；处的集中质量； h hK1K1- -基本振型参与系数，基本振型参与系数， a a1 1- -对应与塔基本自振周期对应与塔基本自振周期T T1 1的地震影响系数的地震影响系数a a值。值。有多种振型，任意高度有多种振型，任意高度h hK K处集中质量处集中质量mmK K引起基引起基本振型的水平地震力本振型的水平地震力

12、gmCFKKzK111niiiniiiKKhmhmh1315 . 15 . 11（2 2）垂直地震力）垂直地震力防烈度防烈度8 8度或度或9 9度的塔应考虑垂直地震力度的塔应考虑垂直地震力塔底截面处垂直地震力：塔底截面处垂直地震力：a avmaxvmax- -垂直地震影响系数最大值，垂直地震影响系数最大值， a avmaxvmax= 0.65= 0.65a amaxmaxmmeqeq- -塔设备的当量质量，塔设备的当量质量， mmeqeq=0.75=0.75mm0 0 任意质量任意质量i i处垂直地震力：处垂直地震力：gmFeqmax00niFhmhmFnkkkiiii, 2 , 1001（3

13、 3）地震弯矩）地震弯矩任意截面任意截面i i- -i i基本振型地震弯矩：基本振型地震弯矩：等直径、等厚度塔的任意截面等直径、等厚度塔的任意截面i i- -i i和底截面和底截面0-00-0的基本振型地震的基本振型地震弯矩：弯矩：H H/ /D D1515，或高度大于等于，或高度大于等于20m20m时，时，考虑高振型考虑高振型niKKiiEihhFM11gHmCMzEi010035165 . 35 . 25 . 35 . 201414101758hhHHHgmCMziiEiiiEiiiEMM25.15. 5. 偏心载荷偏心载荷塔外附属设塔外附属设塔顶冷凝器偏心安装塔顶冷凝器偏心安装塔底外侧悬

14、挂再沸器塔底外侧悬挂再沸器偏心载荷引起轴向压应力和轴偏心载荷引起轴向压应力和轴向弯矩向弯矩MMe egemMee 圆筒的应力圆筒的应力 1 1塔设备由内压或外压引起的轴向应力塔设备由内压或外压引起的轴向应力2 2操作或非操作时，重量及垂直地震力引起的轴向应力操作或非操作时，重量及垂直地震力引起的轴向应力（压应力）（压应力）eiicDp41eiiiiviiDFgm023 3最大弯矩在筒体内引起的轴向应力最大弯矩在筒体内引起的轴向应力风弯矩风弯矩MMWW、地震弯矩、地震弯矩MME E、偏心弯矩、偏心弯矩MMe e。最大平均风速和可能出现的最大地震烈度，同时达到最大值最大平均风速和可能出现的最大地震

15、烈度，同时达到最大值的几率极小。的几率极小。通常操作下最大弯矩按下式取值：通常操作下最大弯矩按下式取值：)(25. 0max取大值eiiWiiEeiiWiiMMMMMM最大弯矩在筒体中引起轴向应力：最大弯矩在筒体中引起轴向应力：水压试验时间人为选定且时间较短，在实验情况下最大弯矩水压试验时间人为选定且时间较短，在实验情况下最大弯矩取值：取值：eiiWiiMMM3 .0maxeiiiiDM2max34 筒体壁厚效核筒体壁厚效核最大轴向组合应力的计算最大轴向组合应力的计算内压塔设备内压塔设备外压塔设备外压塔设备正常操作正常操作停修停修正常操作正常操作停修停修迎迎风风背背风风迎迎风风背风背风迎风迎风

16、背风背风迎风迎风背背风风 应力应力状态状态s1+ +0 0- -0 0s2- - - - -s s3 3+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -s smamax xs s1 1-s -s2 2+s+s3 3- -（s s2 2+s+s3 3）- -（s s1 1+s+s2 2+s+s3 3）-s -s2 2+s+s3 3（1 1） 内压操作的塔设备内压操作的塔设备 最大组合轴向拉应力，出现在正常操作时的迎风侧，即：最大组合轴向拉应力，出现在正常操作时的迎风侧，即： 最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即：最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即：iiii321max)(32m

17、axiiii（2 2） 外压操作的塔设备外压操作的塔设备 最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即：最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即： 最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：)(321maxiiiiiiii32max2. 2. 强度与稳定性校核强度与稳定性校核 根据根据正常操作正常操作或或停车检修停车检修时的各种危险情况，求出最大组时的各种危险情况，求出最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，表合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，表12-1012-10。周向拉应力只进行强度校核，因为不存在稳定性问题。周

18、向拉应力只进行强度校核，因为不存在稳定性问题。轴向压应力既要满足强度要求，又必须满足稳定性要求，轴向压应力既要满足强度要求，又必须满足稳定性要求，进行双重校核。进行双重校核。名名 称称 强度校核强度校核稳定性校核稳定性校核周向最大拉应力周向最大拉应力s smaxmaxK Ksst tf f 轴向最大压应力轴向最大压应力s smaxmaxK Ksst tK K0.06E0.06Et t ei ei/R/Ri i K K为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K K=1.2=1.2。表表12-10 12-10 轴向最大应力的校核条件轴向最大应力的校核条件3. 3. 水压试验时应力校核水压试验时应力校核

19、(1) (1) 关于拉应力关于拉应力 环向拉应力的验算在第十章环向拉应力的验算在第十章 最大组合轴向拉应力最大组合轴向拉应力seiieiiweiiiieiiiKDMMDgmDp9 . 0785. 03 . 042maxmax(2) (2) 设备充水（未加压）后最大质量和最大弯矩在壳体中引起的设备充水（未加压）后最大质量和最大弯矩在壳体中引起的组合轴向压应力组合轴向压应力 K K为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K K=1.2=1.2。塔体，最大风弯矩引起的弯曲应力塔体，最大风弯矩引起的弯曲应力s s3 3i i- -i i发生在截发生在截面面2-22-2上。上。裙座，裙座，s s3 3i i

20、- -i i的最大应力发生在裙座底截面的最大应力发生在裙座底截面0-00-0或或人孔截面人孔截面1-11-1上。上。)(06.09 .0785.03 .012maxmax取小值RKEKDMMDgmeiseiieiiweiiii二、二、 裙座裙座按所支承设备的高度与按所支承设备的高度与直径比，裙座分成两种：直径比，裙座分成两种：一种是一种是圆筒形圆筒形；一种是一种是圆锥形圆锥形。圆筒形裙座：圆筒形裙座：制造方便和制造方便和节省材料，被广泛采用。节省材料，被广泛采用。圆锥形裙座：圆锥形裙座：地角螺栓较地角螺栓较多和基础环承受面积较大，多和基础环承受面积较大，承受较大风载荷和地震载承受较大风载荷和地震载荷。荷。群座体（群座体（Q235-AQ235-A或或16Mn16Mn）基础环板基础环板螺栓座螺栓座基础螺栓基础螺栓( (一一) )圆筒形群座体壁厚的验算圆筒形群座体壁厚的验算先参照筒体厚度试取一群座体壁厚先参照筒体厚度试取一群座体壁厚s s验算危险截面的应力，群座体底截面和人孔截面验算危险截面的应力，群座体底截面和人孔截面组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整。组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整。( (二二) )基础环板设计基础环板设计1 1、基础环板内、外径、基础环板内、外径2 2、基础环板厚度、基础环板厚度, ,背风侧外缘压