塔设备机械计算

1、第四章塔设备机械设计塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。机械设计是把工艺参数、尺寸作为 已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从 制造、安装、检修、使用等方面出发进行机构设计。4.1设计条件由塔设备工艺设计设计结果，并查相关资料 9知设计条件如下表。表4-1 设计条件表已知设计条件塔体内径Di2000mm塔体高度H28000mm设计压力PI.OMPa设计温度t200C塔体材料16MnR许用应力170MPa许用应力B 170MPa设计温度下弹性模量E1.9 105MPa常温屈服点345MPa厚度附加量C2mm塔体焊接接头系数？0.85介质密度p783.92k

2、g/m3塔盘数N40每块塔盘存留介质层咼度hw80mm基本风压值qo400N/m2地震防烈度8度场地土类别U类偏心质量me4000kg塔外保温层厚度S100mm保温材料密度p300kg/m3裙座材料Q235-A许用应力113MPa常温屈服点os235MPa厚度附加量Cs2mm人孔、平台数6地脚 螺 栓材料Q235-A许用应力&】bt140MPa腐蚀余量C23个数n324.2设计计算4.2.1全塔计算的分段图4-1全塔分段示意图塔的计算截面应包括所有危险截面，将全塔分成 5段，其计算截面分别为: 0-0、1-1、2-2、3-3、4-4。分段示意图如图 4-1。422 塔体和封头厚度塔内液柱高度:

3、h = 0.5 0.04 0.5 1.3 二 2.34（m）液柱静压力：pH =10Tgh =10 $ 783.92 9.81 2.34 =0.018 （MPa）计算压力：Pc=p Ph =1 MPa （液柱压力可忽略）圆筒计算厚度:孟PcDi1.0 沢 2000“A （、5 = r ti=6.94 （ mm）2 pc 2 170 0.85 -1.0圆筒设计厚度:、c 二、.C 二 6.942 = 8.94 （ mm）圆筒名义厚度:、n 二、c Cf： = 8.94 0.8 ： = 10 （ mm）圆筒有效厚度:-；e =C = 10 2 = 8 （mm）封头计算厚度:PcDi1.0 汉 20

4、00/、-h-6.93 （ mm）2 、0.5pc 2 170 0.85 -0.5 1.0封头设计厚度:、hc 二、h C 二 6.93 2 二 8.93 （ mm）封头名义厚度:、hn 二、hc C ： =8.93 0.8. ： - 10 （ mm）封头有效厚度:、he =、hn - C = 10 - 2 = 8 （ mm）423 塔设备质量载荷1. 塔体质量查资料,得内径为2000mm,厚度为10mm时，单位筒体质量为495kg/m，单个 封头质量为364kg。通体质量：m, =495 24.5 =12127.5（ kg）封头质量：m2 - 364 2 - 728 （ kg）裙座质量：m3

5、 =495 3.0 =1485（ kg）塔体质量：m01 = m1 m2 m3 = 12127.5 728 1485 = 14340.5（kg）0-1 段：口01。1 = 495 汉 1 = 495 （ kg）1-2 段:m01,1-2 = 495 x 2 + 364 = 1354 （ kg）2-3 段：m01,1-2 = 495 汉 2 + 364 = 1354 （ kg）3-4 段：m01,3-4 = 495 汉 10 = 4950 （ kg）4-顶段:m01,4-顶=495x9.5 +364 =5066.5 （kg）2. 塔段内件质量查表5-4得,筛板塔塔盘质量qN =65kg/m2，则

6、i-i塔体内件质量：m02Di N qN 4 40 65 =8164 （kg）442- 3 段：m02 2= x4x565 =1020.5 （ kg）4严JI3- 4段：m02 3 鼻4 19 65 =3877.9 （kg）43T4- 顶段：m02 4 页 4 16 65 =3265.6 （kg）43. 保温层质量m3Di 2、n 2、, 2 - Di 2、n 2 H2 2Vf2 宀们嘉4. 2 22.22 -2.0224.5 30021.5459 -1.17293004= 5116.5 kg1-2 段:m03,2 =（1.5459 1.1729 $ 300 =111.9（ kg）2-3 段：

7、m3 2A =一U2.22 -2.202 ） 5汉300 = 998.5（kg）43-4 段：m03 3/2.222 -2.02210 300 =1997 （kg）44-顶段:m03,4 二 5116.5 -111.9 -998.5 -1997 =2009.1 （ kg）4. 平台和扶梯质量查表5-4得,平台质量qP = 150 kg / m2 笼式扶梯质量qF =40kg/m2m04Di 2、.n 2、2B - Di 2、.n 2、1 1 nqP qF H F42=-4.02 -2.2226 150 40 26.65 = 5033.7 kg0-1 段：m04,0=40 汉 1 = 40 (k

8、g)1- 2 段：mg：工=40 汉 2 = 80 (kg)i12- 3段：口04 2=二汉(4.022 2.222 )0.9-030.45 二 0.16902 max 二 0.090.89表4-3 Excel计算水平地震力过程及结果0-11-22-33-44-顶各段操作质量mi, kg658.84203.913989.417526.517088.3各点距离地面咼度500200055001300023000hi, mmhi511180.3489442.72407890.914822283488123mihi1.573656083.76E+085.71E+092.6E+105.96E+105八1

9、1.5A =送 mi hi91673880218hi31.25E+088E+091.66E+112.2E+121.22E+13.3 mihi8.24E+103.36E+132.33E+153.85E+162.08E+175B =送 mihi3i 42.4878E+17A/B3.68493E-07n0.004120.0329590.1503050.5461911.285349水平地震力Fk1,N2.249902114.85561743.0037935.33418207.3以0-1段为例进行计算:nhFFhi1.55001.59.167 1010172.488 10K10.00412mi hi3i

10、 =1Fk1=Cz：1 K1mkg =0.5 0.169 0.00412 658.8 9.81 =2.25 (N)其他段由Excel计算过程及结果如表4-3。2. 垂直地震力塔设备底截面处垂直地震力可由下式计算：0-0 Fv= : V *meq *g式中max直地震影响系数最大值，取：飞皿8乂=0.65meq塔设备的当量质量，取 meq = 0.75mkg。任意质量i处垂直地震力可按下式计算:V nV、mK *hKk丄以0 1段为例进行计算：-：Vmax =0.65_：Imax =0.65 0.45 =0.2925meq =0.75m0 =0.75 53466.8 =40100.1 (kg)塔

11、设备底截面处的垂直地震力：FV0 = :-V meq=0.2925 40100.1 9.81 =1 1 50624(N)5、m, hi =658.8 500 4203.9 2000 1398.4 5500i J17526.5 13000 17088.3 23000 = 7.066 108658.8kg，距离水平面500mm处垂直地震力:m, hin0_0 mK *hK658.5 50087.066 10115064.2-53.64( N)k=i其他段由Excel计算过程及结果如表4-4表4-4 Excel计算垂直地震力过程及结果0-11-22-33-44-顶meq ,kg40100.14010

12、0.140100.140100.140100.1Fv0115064.2115064.2115064.2115064.2115064.2% max0. 29250.29250.29250.29250.2925mi hi3294008407800769417002.28E+083.93E+085为 mihii=1706554300Fv153.643641369.23212530.1637105.0764006.13. 地震弯矩等径、等壁厚塔设备任意截面-.一-.的基本振型地震弯矩：M - = 8Cz-“薯 ioh 3.5 mH 2.5 h 4h35175 H等径、等壁厚塔设备底截面0-0的基本振型

13、地震弯矩：o_o 16M E1CZ ： MogH35当塔设备H/D15 ,或H支0m时，还必须考虑高振型的影响，在进行稳定和其他 验算时，可按下式计算：M E 一 =1.25M E1底面处地震弯矩：0_0 16168M E1CzmogH0.5 0.169 53466.8 9.81 28000 =5.67 103535Me0 1.25ME广=1.25 5.67 107.09 108 (N mm)截面1-1处地震弯矩:畝“25%*.25新10宀肿卅50.676 53466.8 9.813.52.53.5= 1.25石 10 28000-14 280001000 4 1000175780006.74

14、 108 N *mm截面2-2处地震弯矩:Me2 .依虻“25 魯10宀 14Hf 4h3.50.67653466.8汉9.81 /3 52535 v= 1.25戸 10 28000-14 280003000 4 3000175 汉 280006.03 108 N *mm同理可得：3-384-48Me -4.29 10(N mm) M e -1.31 10(N mm)4.2.6风载荷与风弯矩1. 水平风力以0 1段为例进行计算：PK1K21qcf1l1De1 10P2 - K1 K 22q0 f2l 2De2 10 Pi 二 KiaqofiliDei 10”式中P1、P2Pi -塔设备各计算段

15、的水平风力，N ；De1、De2 Dei - -塔设备各计算段的有效直径，mm；当笼式扶梯与塔顶管线布置成90。时，取下列两式中较大者:Dei 二 Doi 2、si K3 K4Dei 二 Doi 2 si K4 do 2 psDoi塔设备各计算段的外径，mm；K21、K22K2i -塔设备各计算段的风振系数，当塔高H 0m时，取K2i =1.70,当H20m时，按下式计算:K2i=1fi -风压咼度变化系数，按表5-7查得;脉动增大系数，按表5-88喳得； i - i段脉动影响系数，按表5-9查得；zi第i段振型系数，根据hi/H与u查表5-10；K3笼式扶梯当量宽度，当无确切数据时，可取 4

16、00mm;K4操作平台当量宽度，mm；2送AK4厂丨0 A第i瑕内平台构件的投影面积，mm2I。-操作平台所在计算段的长度，mmli -第i计算段长度，mmExcel计算过程及结果如表4-5。表4-5 Excel计算水平风力过程及结果0-11-22-33-44顶li1000200050001000010000101000200050001000010000hit, m1381828Z A, mm2009X 1051.8X 1062.7X 1062瓦AK |l 000360360540脉动增大系数匕（B类）2.22.22.22.22.2脉动影响系数Vi（ B类）0.720.720.720.790

17、.85hjH0.03570.10710.28570.64291u1.01.01.01.01.0第i段的风振系数忆0.020.020.150.541fi0.80.811.251.42Ki0.70.70.70.70.7-V 冲ziK2i =1f i1.03961.03961.23761.7508162.316901q,N/m2400400400400400较大值Dei （较大值）Dei = Di +2% +K 4+do +2g28202820318031803360各计算段的 水平风力P , NP =KiK2iq0filiDei“0656.69451313.3895509.79519486.583

18、0952.322. 风弯矩0-0截面的风弯矩：Mw0=PlS + P2 h +d)+P3 h +I2 +h)+P4 h +I2 +I3+2I2丿 I 2丿 I 2丿(l5)P5 h +l2+l3 卅 4十上=656.69汉 500+1313.389 汉 2000 +5509.795汉 5500 2丿19486.58 13000 30952.32 23000 =9.985 1081- 1截面的风弯矩：1 l、l )l、Mw1J1 =P22+P3 I2 +丄 I + P4 l2 +l3 + I+P5 l2 + 丨3+丨4 +丄 I2 l 2丿 I 2丿 I2丿= 1313.389 1000 550

19、9.795 5500819486.58 12000 30952.32 22000 =9.464 102- 2截面的风弯矩：Mw2 P3E + P4 I3 丄卜 P5 I3 +l4 +上 i2 i 2丿 i2丿=5509.795 2500 19486.58 10000 30952.32 20000 = 8.277 108427最大弯矩1.偏心弯矩偏心质量me = 4000 kg 偏心距e = 2000 mm偏心弯矩 Me 二 mege =4000 9.81 2000 = 7.848 107 N mm 2.最大弯矩最大弯矩计算结果如表4-6表4-6 最大弯矩表0-0截面1-1截面2-2截面MW+M

20、e1.077 091.025 汉 1099.062咒108ME+0.25MWi_L+Me91.037 089.891088.884如0最大弯矩M maxi 91.077 091.025089.062如04.2.8圆筒轴向应力校核1.圆筒轴向应力设计压力引起的轴向应力:5,0工=0 MPa-1,1 j0MPaPDi1.0 20004 862.5 MPa操作质量引起的轴向应力:2,0-00 -0m。 gPei53466.8 9.813.14 2000 8二 10.44(MPa) 2,1 41 4m g二 Df52808 9.813.14 2000 8= 10.31(MPa)2,2-22 -2m g

21、48604.1 9.819.49二Di ei3.14 2000 8(MPa)最大弯矩引起的轴向应力:4M二3,0 卫0卫max二D2i J-ei4 1.077 1093.14 20002 8二 42.87(MPa)3,1 1二3,2 _24Mi jmax二D2i、：ei4M2 _2max二 D2i、2.圆筒稳定校核4 1.025 1093.14 20002 8= 40.80(MPa)4 9.062 1083.14 20002 8-36.1(MPa)载荷组合系数K=1.2系数 a= 0.094、ei = 0.094 8 八Ri1000=0.000752设计温度下材料的许用应力查得(16MnR,

22、200E)t J=170MPa(Q235-A,200E)匕 h=113MPa即：J 0J=113MPa卜 =113MPa t 2 J=170MPa查得(16 MnR,200 E) B=118(Q235-A,200 E) B=93则：KB0q =93 1.2 =111.6MPa ,K 匕 lo=1.2 1 1 41 356MPaKB14 =93 1.2 =111.6MPa ,K- fu -1.2 1141 3 56 MPaKB2q =118 1.2 =141.6MPa ,0*1.2 1 70=204 MPa取两者中较小值，即:Cr,0工=111.6MPat Cr,2=111.6MPar,2d =

23、141.6MPaK# r,0，135.6 0.85 = 115.26 MPaL,=135.6 0.85=115.26MPaK A Cr,2 J =204 0.85=173.4MPa圆筒最大组合应力二二2 :G 匚2 0卫=10.44 42.87 =53.31MPavl；LovrlllGMPaG 二2 1 丄=10.3140.8 =51.11MPavlCr,i=111.6MPa1；2 2N =9.49 36.1 = 45.59 MPav !lCr,2/=141.6MPa对内压容器；* ；2匕Cr满足要求。圆筒最大组合拉应力；一 -；23 :6-二2 二3 o=62.49MPaK10j =115.

24、26 MPa 1 -；26 =60.55MPaK 4 =n5.26MPa-二26 2丄=89.11MPaK 4 U =173.4MPa对内压容器G - ；2 *二3 K A L 满足要求。4.2.9塔设备压力试验时的应力校核试验介质密度(介质为水)：=0.001 kg/cm3，液柱高度：H=2800cm液柱静压力：H . 9.81 二 0.001 2800 9.81 二 0.2854 MPa2 _22-2 截面最大质量： mT =119515.6 - 658 - 4457.3 =114400.3 kg2-2截面 0.9KJ=0.9 1.2 345 =372.6MPa2-2 截面 KB=141.

25、6MPa压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力t Cr=141.6MPa (取两者中较小者)试验压力引起的周向应力：什(Pt H 9.81 Q+J)(1.25 +0.285412000 +8)仆；-T192.7 MPa2 ei28液压试验时，6=192.7 MPa0.9KJ =372.6MPa试验压力引起的轴向应力：T1Pt Di1.25 2000二 78.13MPa重力引起的轴向应力:-T22 2mpg二Di、：ei114400.3 9.813.14 2000 8= 22.34 MPa弯矩引起的轴向应力:4.3MWMe =4 3 8.277 108 2 7.848 107 = 12.95 MPa

26、-：Di ei3.14 20008液压试验时圆筒最大组合应力:；T1 .2 ；右3 =78.13-22.34 12.95 = 68.74 MPa 0.9K；s（满足要求）.2 飞T3 =22.34 - 12.95 =35.29MPa 4 r （满足要求）4212 裙座轴向应力校核1.裙座底截面的组合的应力裙座有效厚度：es =8mm裙座筒体内径：Dis =2000 mm_ 20-0截面积：Asb7DiS、is=3.14 2000 8 =50240mm0-0截面系数：ZsbD2is、is 二3 20002 8 = 25120000 mm244KB =111.6MPa，K =135.6MPa裙座许用轴向应力取两者较小值。0-0截面组合应力:0-0M max . mgZsb1.077 10953466.8 9.812.512 10750240-53.31MPa KB =111.6MPa2 mm2.裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力检查孔加强管长度：lm =120 mm,检查孔加强管厚度：12mm检查孔加强管水平方向的最大宽度：bm =