第8章 塔设备设备的机械设计

1、第八章塔设备强度设计计算第八章塔设备强度设计计算主要内容：主要内容：了解塔所承受了解塔所承受载荷载荷的特点。的特点。熟悉熟悉塔体和裙座塔体和裙座承受的各项承受的各项载荷计算载荷计算及及强度强度校核校核步骤。步骤。能够确定塔体和裙座体能够确定塔体和裙座体危险截面危险截面，并掌，并掌握握塔体壁厚的校核塔体壁厚的校核方法。方法。一、塔体的强度计算一、塔体的强度计算安装在室外的高度与直径比安装在室外的高度与直径比（H/D）较大的塔设备，）较大的塔设备，除承受操作压力外，还要除承受操作压力外，还要承受承受质量载荷、质量载荷、风载荷、风载荷、地震载荷地震载荷偏心载荷等，偏心载荷等，在进行塔设备设计时必须根

2、在进行塔设备设计时必须根据受载情况进行强度计算据受载情况进行强度计算与校核。与校核。 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 按按容器设计基础容器设计基础中内压、外压容器中内压、外压容器的设计方法，计算塔体和封头的有效厚的设计方法，计算塔体和封头的有效厚度。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 操作压力操作压力当塔为当塔为内压内压时，在塔壁上引起周向及轴时，在塔壁上引起周向及轴向拉应力；向拉应力；当塔为当塔为外压外压时，在塔壁上

3、引起周向及轴时，在塔壁上引起周向及轴向压应力。向压应力。操作压力操作压力对裙座对裙座不起作用。不起作用。 质量载荷质量载荷塔设备的质量包括：塔设备的质量包括：m1:塔体和裙座质量，塔体和裙座质量，Kg；m2:内件质量，内件质量，Kg；m3:保温材料质量，保温材料质量，Kg；m4:平台、扶梯质量，平台、扶梯质量，Kg；m5:操作时塔内物料质量，操作时塔内物料质量，Kg；ma:人孔、接管、法兰等附件质量，人孔、接管、法兰等附件质量，Kg；me:偏心质量，偏心质量，Kg；mw:液压试验时，塔内充液质量，液压试验时，塔内充液质量，Kg；还包括在操作、停修或水压试验等不同工况还包括在操作、停修或水压试验

4、等不同工况时的物料或充水质量。时的物料或充水质量。设备操作时的质量：设备操作时的质量：M0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me 设备的最大质量（水压设备的最大质量（水压试验时）：试验时）：Mmax=m1+m2+m3+m4+mw+ma+me设备最小质量：设备最小质量：mmin=m1+0.2m2+m3+m4+ma+me 0.2m2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。降液管等。当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则mmin应扣除应扣除m3和和m4。m1:塔体和裙座质量塔体和裙座质量

5、；m2:内件质量内件质量；m3:保温材料质量保温材料质量；m4:平台、扶梯平台、扶梯质量质量；m5:操作时塔内物料质量操作时塔内物料质量；ma:人孔、接管、法兰等附件质量人孔、接管、法兰等附件质量；me:偏心质量偏心质量；mw:液压试验时，塔内充液质量液压试验时，塔内充液质量；3. 风载荷风载荷安装在室外的自支承式塔设备，安装在室外的自支承式塔设备，可视为支承在地基上的悬臂梁。可视为支承在地基上的悬臂梁。塔设备在风力作用下，塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一

6、侧产生压应力。背风面一侧产生压应力。另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。向的诱发振动弯矩。诱发振动弯矩只在塔的诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。般可忽略不计。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与风弯矩按矢量叠加。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与风弯矩按矢量叠加。（1）水平风力的计算）水平风力的计算风吹在塔上，在迎风面产生风压。风吹在塔上，在迎风面产生风压。风压的大小与风速、空气密度、所在的地区和季节有风压的大小与风速、空气密度、所在的地区和季节有关。关。根

7、据各地区离地面高度为根据各地区离地面高度为10m处处30年一遇年一遇10分钟内分钟内的平均风速最大值作为计算风压，得到该地区的基的平均风速最大值作为计算风压，得到该地区的基本风压本风压q0，见表，见表4-26。风的粘滞作用使风速随地面高度而变化。如果塔设备风的粘滞作用使风速随地面高度而变化。如果塔设备高于高于10m，则，则应分段计算各段的风载荷应分段计算各段的风载荷，视离地面，视离地面高度的不同乘以高度变化系数高度的不同乘以高度变化系数fi，见表，见表4-27。风压的大小还与塔设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。风压的大小还与塔设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。两相邻计算截面间的水平

8、风力为：两相邻计算截面间的水平风力为： 式中：式中：Pi-水平风力，水平风力，N；q0-基本风压值，基本风压值，N/2，见表，见表4-26，但均不，但均不应小于应小于250N/2；Li-第计算段长度（见第计算段长度（见风弯矩计算简图风弯矩计算简图），），mm； fi-风压高度变化系数，按风压高度变化系数，按表表4-27选取；选取； K1-体型系数，圆柱直立设备取体型系数，圆柱直立设备取0.7；Dei-塔设备各计算段的有效直径，塔设备各计算段的有效直径，mm； （4-45） K2i-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H20m时，取时，取K2i=1.7；当当H20m时

9、，按下式计算时，按下式计算 z z-脉动增大系数，脉动增大系数，查表；查表；Vi-第第i段脉动影响系数，段脉动影响系数，查表；查表； f fzi- 第第i段振型系数，根据段振型系数，根据Hi/H与与m m查表；查表；（2）风弯矩）风弯矩在计算风载荷时，常常将塔设备沿塔在计算风载荷时，常常将塔设备沿塔高分成若干段，如图所示。高分成若干段，如图所示。一般习惯自地面起每隔一般习惯自地面起每隔10m分成一段，分成一段，把每段内的风压值看为定值。把每段内的风压值看为定值。按式（按式（4-45）分段求出风载荷）分段求出风载荷Pi后，后，即可近似的视为合力即可近似的视为合力Pi作用在该段作用在该段的的1/2

10、处而求风弯矩。处而求风弯矩。任意截面的风弯矩：任意截面的风弯矩：对于等直径、等壁厚的塔体和裙座体，风弯矩对于等直径、等壁厚的塔体和裙座体，风弯矩的最大值在各自的最低处，所以的最大值在各自的最低处，所以塔体和裙塔体和裙座体的最低截面为最危险截面座体的最低截面为最危险截面。但在但在变截面的塔体及开有人孔的裙座体变截面的塔体及开有人孔的裙座体，由于，由于各截面的受载断面和风弯矩都各不相同，各截面的受载断面和风弯矩都各不相同，很难判别那个是最危险截面。为此，很难判别那个是最危险截面。为此，必须必须选取各个可疑的截面作为计算截面并各自选取各个可疑的截面作为计算截面并各自进行应力校核进行应力校核，各截面应

11、能满足校核条件。，各截面应能满足校核条件。图中图中0-0、1-1、2-2各截面都是薄弱部位，可各截面都是薄弱部位，可选为计算截面。选为计算截面。4. 地震载荷地震载荷如果塔设备安装在地震烈度为七度及以上地如果塔设备安装在地震烈度为七度及以上地区区设计时必须考虑地震载荷对塔设备的影响。设计时必须考虑地震载荷对塔设备的影响。塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动：塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动：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。为此，计算地震力时，仅考虑水平地震力对塔设备的影为此，计算地震力时，仅考虑水平地震力对

12、塔设备的影响，并把塔设备看成是固定在基础底面上的悬臂梁响，并把塔设备看成是固定在基础底面上的悬臂梁。（1）水平地震力）水平地震力对于实际应用的塔，全塔质量并不集中于顶对于实际应用的塔，全塔质量并不集中于顶点，而是按全塔或分段均布。点，而是按全塔或分段均布。计算地震载荷与计算风载荷一样，也是将全计算地震载荷与计算风载荷一样，也是将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集中于该段中于该段1/2处。处。即将塔设备化为多质点的弹性体系，由于多质点体系有多种即将塔设备化为多质点的弹性体系，由于多质点体系有多种振型，按照振动理论，对于任意高度振型，按照振动理论，对于任意高

13、度hK处的集中质量处的集中质量mK引起引起基本振型的水平地震力为：基本振型的水平地震力为：式中：式中：FK1-集中质量集中质量mK引起的基本振型水平地震力，引起的基本振型水平地震力，N；Cz-综合影响系数，对圆筒形直立设备取综合影响系数，对圆筒形直立设备取Cz=0.5；mK-距离地面距离地面hK处的集中质量（见图），处的集中质量（见图），Kg； h hK1-基本振型参与系数，基本振型参与系数， a a1 1-对应与塔设备基本自振周期对应与塔设备基本自振周期T1的地震影响系数的地震影响系数a a值。值。（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

14、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 amaxmaxm meqeq- -塔设备的当量质量，塔设备的当量质量， m meqeq=0.75=0.75m m0 0 任意质量任意质量i i处垂直地震力：处垂直地震力：gmFeqmax00aniFhmhmFnkkkiiii, 2 , 1001（3）地震弯矩）地震弯矩塔设备任意计算截面塔设备任意计算截面i-i的基本振型地震弯的基本振型地震弯矩按式计算：矩按式计算：式中式中 MEii-i-任意计算截面任意计算截面

15、i-i的基本振型地震弯的基本振型地震弯矩，矩，Nmm。对于等直径、等厚度塔设备的任意截面对于等直径、等厚度塔设备的任意截面i-i和底截面和底截面0-0的基的基本振型地震弯矩分别按式（本振型地震弯矩分别按式（4-51）和式（）和式（4-52）计算：）计算：当塔设备当塔设备H/D15，或高度大于等于，或高度大于等于20m时，还需考虑高振型时，还需考虑高振型的影响，在进行稳定或其他验算时，地震弯矩可按式（的影响，在进行稳定或其他验算时，地震弯矩可按式（4-53）计算计算5. 偏心载荷偏心载荷当塔设备外部装有当塔设备外部装有附属设备附属设备时（如时（如塔顶冷凝器偏心安装、塔低外侧塔顶冷凝器偏心安装、塔

16、低外侧悬挂再沸器），这些偏心载荷除悬挂再沸器），这些偏心载荷除了引起轴向压应力外，还要产生了引起轴向压应力外，还要产生轴向弯矩轴向弯矩Me，这弯矩不沿塔的高，这弯矩不沿塔的高度而变化，其值可按下式计算：度而变化，其值可按下式计算：式中：式中：Me-偏心弯矩，偏心弯矩，Nmm；me-偏心质量，偏心质量，Kg；g-重力加速度，重力加速度，m/s2； e-偏心矩，即偏心质量的中心距塔设备轴线的偏心矩，即偏心质量的中心距塔设备轴线的距离，距离，mm。 圆筒的应力圆筒的应力 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式中式中 ：s s1-由内压或外压引起的轴向应力，由内压或外压引

17、起的轴向应力，MPa； p-设计压力，设计压力，MPa； Di-筒体内径，筒体内径，mm； d dei-i-i截面处筒体有效壁厚，截面处筒体有效壁厚，mm。2操作或非操作时，重量及垂直地震力操作或非操作时，重量及垂直地震力引起的轴向应力（压应力）引起的轴向应力（压应力）式中：式中：s s2-重量及垂直地震力引起的轴向应力，重量及垂直地震力引起的轴向应力，MPa； moi-i-任意计算截面任意计算截面i-i以上塔体承受的操作或以上塔体承受的操作或非操作时的质量，非操作时的质量，Kg。 其中其中Fvi-i仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。计入此项。 3最大弯

18、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各种载荷在塔设备上引起的弯矩有风弯矩各种载荷在塔设备上引起的弯矩有风弯矩MW、地震弯矩地震弯矩ME、偏心弯矩、偏心弯矩Me。由于所给的气象资料是该地区的最大平均风速和由于所给的气象资料是该地区的最大平均风速和可能出现的最大地震烈度，而实际上，风载荷可能出现的最大地震烈度，而实际上，风载荷和地震载荷同时达到最大值的几率是极小的。和地震载荷同时达到最大值的几率是极小的。如按两者相加计算，未免过于保守。如按两者相加计算，未免过于保守。通常，在正常操作条件下最大弯矩按下式取值：通常，在正常操作条件下最大弯矩按下式取值： 水压试验的时间往往是人为选定

19、的，而且实验时间较水压试验的时间往往是人为选定的，而且实验时间较短，所以，在实验情况下最大弯矩取值短，所以，在实验情况下最大弯矩取值 最大弯矩在筒体中引起的轴向应力最大弯矩在筒体中引起的轴向应力 式中式中s s3-最大弯矩在筒体中引起的轴向应力，最大弯矩在筒体中引起的轴向应力，MPa； 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 各种载荷引起的轴向应力，以各种载荷引起的轴向应力，以+表示拉应力，以表示拉应力，以-表示压表示压应力，各种轴向应力的符号见表。应力，各种轴向应力的符号见表。 内压塔设备内压塔设备外压塔设备外压塔设备正常操作时正常操作时停修时停修时正常操作时

20、正常操作时停修时停修时迎风侧迎风侧背风侧背风侧迎风侧迎风侧背风侧背风侧迎风侧迎风侧背风侧背风侧迎风侧迎风侧背风背风侧侧 应力应力状态状态s1+0-0s2-s s3+-+-+-+-s smaxs s1-s s2+s s3-（s s2+s s3）-（s s1+s s2+s s3）-s s2+s s3（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，出现在正常操作最大组合轴向拉应力，出现在正常操作时的迎风侧，即：时的迎风侧，即： 最大组合轴向压应力，出现在停修时的最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即：背风侧，即：（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

21、正常操作最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即：时的背风侧，即： 最大组合轴向拉应力，出现在停修时的最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：迎风侧，即：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时或时或停车检修停车检修时的各种危险时的各种危险情况，求出的最大组合轴向应力，必须情况，求出的最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，如表满足强度条件与稳定性条件，如表4-34所示。所示。周向拉应力只进行强度校核，因为不存在周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，进行

22、双要求，又必须满足稳定性要求，进行双重校核。重校核。轴向最大应力轴向最大应力 强度校核强度校核 稳定性校核稳定性校核轴向最大拉应力轴向最大拉应力s smaxKs stf f 轴向最大压应力轴向最大压应力s smaxKs stK 注：注： 为筒体内半径；为筒体内半径；K为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K=1.2。表表4-34 轴向最大应力的校核条件轴向最大应力的校核条件3. 水压试验时应力校核水压试验时应力校核(1) 关于拉应力关于拉应力 环向拉应力的验算，在第十五章有过阐述。环向拉应力的验算，在第十五章有过阐述。 最大组合轴向拉应力最大组合轴向拉应力 (2) 设备充水（未加压）后最大质量和

23、最大弯矩设备充水（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在壳体中引起的组合轴向压应力 式中式中K为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K=1.2。对于塔体而言，其最大的风弯矩引起的弯曲对于塔体而言，其最大的风弯矩引起的弯曲应力应力s s3i-i发生在裙座和塔体的连接截面发生在裙座和塔体的连接截面2-2上。上。对于裙座来讲，对于裙座来讲，s s3i-i的最大应力发生在裙座的最大应力发生在裙座底截面底截面0-0或人孔截面或人孔截面1-1上。上。二、二、 裙座裙座裙座是最常见的塔设备裙座是最常见的塔设备支承结构，如图所示。支承结构，如图所示。按所支承设备的高度与按所支承设备的高度与直

24、径比，裙座可分成直径比，裙座可分成两种：两种：一种是圆筒形，一种是圆筒形，一种是圆锥形。一种是圆锥形。由于圆筒形裙座制造方便和节省材料，所由于圆筒形裙座制造方便和节省材料，所以被广泛采用。以被广泛采用。但对于承受较大风载荷和地震载荷的塔，但对于承受较大风载荷和地震载荷的塔，需要配置较多的地角螺栓和承受面积较需要配置较多的地角螺栓和承受面积较大的基础环，则采用圆锥形裙座支撑结大的基础环，则采用圆锥形裙座支撑结构。构。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，群座体底截面和人验算危险截面的应力，群座体底截