压力容器的设计人员培训班讲稿塔式容器培训课件

1、2019年江苏省D类压力容器设计人员培训班JB / T 4710 2019 标 准 学 习塔 式 容 器0. 塔式容器简介0.1 塔式容器在工艺上的作用： 塔式容器是直立设备中的一种，它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到传质及传热的目的。在化工、炼油、医药、石化、轻纺、石油天然气等行业的蒸馏、吸收、解吸、萃取及气体的洗涤、冷却、增湿、干燥的单元操作中得到广泛的应用，是生产中最重要的设备之一。0.2 塔式容器的主要特点是： 体型高，长宽比大，荷载重，塔身除了承受压力载荷、温度载荷外，还承受风载荷、地震载荷和重量载荷。塔式容器的支座通常为裙式支座，塔式的整个重量都是由裙座支承。地脚螺栓又将裙

2、座固定在基础上。对于直径较小的塔式容器也有采用 耳座、圈座等支承方式。也有由操作平台连成一体的塔群或排塔。0.3 塔式容器的种类： 从结构考虑：等直径等壁厚塔；等直径不同壁厚塔；变径塔等。 从塔内件考虑：空塔；填料塔；板式塔等。0. 塔式容器简介 0.4 塔式容器设计的有关参考标准规范： 1. GB50011-2019建筑抗震设计规范 2. GB50009-2019建筑结构载荷规范 3. SH 3098-2000 石油化工塔器设计规范 4. SH 3048-2019 石油化工钢制设备抗震设计规范 5. HG 20652-2019 塔器设计技术规定一、总则：1.适用范围 适用于设计应力不大于35

3、Mpa, H /D5，且高度H10m; 裙座自支承的塔式容器： H总高（指塔顶封头切线至裙座底部的距离）； D塔壳的公称直径。 对不等直径塔式容器：取各段公称直径的加权平均值 适用范围是考虑下述因素制定的： a. 塔式容器振动时只作平面弯曲振动； b. 高度小的塔式容器截面的弯曲应力小，计算壁厚取决于压力载荷 或最小厚度。 c. 塔式容器必须是自支承的。一、总则：1.适用范围 塔式容器属于高耸结构，其承受的载荷除压力、温度载荷外，还有风载荷、地震载荷、重量载荷、偏心载荷等。由于以上诸多载荷的存在，塔式容器的计算方法也不同于一般的压力容器。高塔在压力较低时，风载荷、地震载荷决定了塔器的壁厚。而低

4、矮的塔器的壁厚大多数取决于压力载荷和最小壁厚。 由于风载荷和地震载荷的计算都是动力计算。在作动力计算时，可视塔器为一底端固定的悬臂梁。其振动形式为剪切振动或弯曲振动，有时也可为剪、弯联合振动。当H/D4时，以剪切振动为主；4H/D10时为剪、弯联合振动；10350，应设置过渡段； （HG20652规定,T250时） b. 塔釜封头材料为低温用钢、不锈钢、铬钼钢时，应设置过渡段； c. 裙座过渡段长度不小于300mm;设计温度低于-20或高于350 时，过渡段长度（壁温层厚度的46倍）不小于500mm； d. 裙座高度低于2.5m,可不设过渡段，但裙座材质应与底封头材质 相同或接近。一、总则：

5、6. 许用应力 A. 塔式容器壳体（含裙座壳体） 按GB150材料一章选取。 B. 非受压元件、基础环、盖板和筋板、地脚螺栓 a）地脚螺栓 Q235A bt = 147 Mpa 16MnR bt = 170 Mpa 采用其它材料时: 碳素钢 ns 1.6 低合金钢 ns 2.0 b）基础环、盖板和筋板 碳素钢 = 147 Mpa 低合金钢 = 170 Mpa一、总则：7载荷组合系数K 因素：长期载荷效应与短期载荷效应不同。 方法：是在应力组合后，其许用应力（强度或稳定）乘以 一个等于1.2的载荷组合系数K。 在地震载荷、风载荷的作用下，计算壳体和裙座的组合拉、压应 力时，由于载荷为短期作用载荷

6、，许用应力值可以提高1.2倍，即许 用应力值在原来受压构件许用应力基础上乘一个系数K=1.2。 二、结构：1. 裙座的型式： 分为圆筒形和圆锥形两种。 要求：圆锥形裙座的半锥顶角不超过15； 无论圆筒形或圆锥形裙座壳其名义厚度不得小于6mm。 选择：1）一般选圆筒形裙座； 2）下列情况之一时，可考虑选用圆锥形裙座: a. 由于地脚螺栓数量多，且需保持一定的螺栓间距； b. 需增加裙座筒体的截面惯性矩； c. 需降低混凝土基础顶面的压应力。二、结构：2. 筒体与裙座的连接型式 分为对接和搭接两种， 1. 对接 要求：裙座壳体外径与塔 体封头外径相等。 焊接接头型式： 标准中没有明确要求。 SH3

7、098中，下列情况应开坡口： 1）可能引起横向振动的高塔（H/D20); 2）塔釜为低温操作的塔式容器； 3）裙座与下封头焊缝可能产生热疲劳时； 4）裙座名义厚度8mm时。二、结构： 2. 筒体与裙座的连接型式 2. 搭接： 分为搭接在封头与 搭接在筒体上两种。 搭接在封头时，应位于直 边段，搭接焊缝距封头、筒 体环焊缝为1.73倍裙座壳 体厚度范围； 搭接在筒体上时，距环焊 缝不少于1.7倍筒体壁厚，环 焊缝需磨平，且100无损检 测； 搭接接头的角焊缝应填满。二、结构：3. 当塔壳封头由多块板拼接制成时，拼接焊缝处的裙座壳应开缺口，如下图所示。（尺寸见表73）二、结构：4. 当塔式容器下封

8、头的设计温度大于或等于400时，应设置隔气圈。 如图所示。 当塔内操作温度较高或温 度变化比较激烈时，裙座与塔 壳的连接焊缝处产生较大的温 差应力，造成破坏。 隔气圈起空气隔离作用， 缓解了焊缝处温差应力过高， 或温差变化过大的情况。 隔气圈结构见标准图7-6、 图7-7，隔气圈至封头切线的 尺寸L可参照标准释义表3-1。 为确保设备的安全运行， 有条件时最好进行温度场和疲 劳分析。二、结构：裙座排气孔（当裙座有缺口时，可不设）： 塔式容器操作过程中，可 能有气体逸出积聚在裙座与塔底封头之间的死区中，它们有些是易燃， 另外的气体， 有些是具有 腐蚀作用的气体，会危及 塔器正常操作或检修人员 的

9、安全，故设置排气孔， 如图所示。 排气孔在裙座有保温或防 火层时，应改为排气管。 规格和数量见表74。二、结构：6. 地脚螺栓座 1）结构1： 由基础环、筋板、盖板和垫板 组成，结构如图所示， 该结构适用于予埋地脚螺栓和非予埋地脚的情况。二、结构：2）结构2： 为中央地脚螺栓座结构，优点是地脚螺栓中心圆直径小，用于地脚 螺栓数量较少，需予埋。 对塔高较小的塔式容器， 地脚螺栓座可简化成单 环板结构。优点：结构简单；缺点：地脚螺栓座整体 强度不足。二、结构：7. 吊柱及吊耳： （ 1）吊柱：根据需要，可在塔顶设置吊柱。（7.9.1） 目的：为方便的安装和拆卸内件、填料等； 吊柱选用的标准：HG/

10、T 21639塔顶吊柱； 安装位置：应满足吊柱中心线与人孔中心线有合适的夹角。 （ 2）吊耳：根据需要，可在塔顶设置吊柱。（7.9.1） 目的：整体吊装； 吊耳选用的标准； 计算。 三、计算：1. 计算内容： 计算内容： 自振周期； | 地震载荷：水平地震力和垂直地震力； |（计算截面弯矩） 风载荷：顺风向风振和横风向风振； | 塔的挠度计算等四部分。 应力校核： 壳体轴向应力校核； 裙座壳轴向应力校核； 地脚螺栓座计算； 裙座与塔壳连接焊缝校核； 塔体法兰当量设计压力等。三、计算：1. 计算内容： 计算时所需准备计算条件： （1）工艺必要的给定条件 （2）塔设备设置地区的条件设置地区的基本风

11、压值，地震设防烈 度，设计基本地震加速度，场地土类别等。 地震设防烈度，设计基本地震加速度可按GB50011-2019 建筑抗震设计规范（替代GBJ11-1989） 设计地震分组近震、远震 基本风压值可按GB50009-2019建筑结构载荷规范 GBJ17-1988钢结构设计规范中基本风压值取所在地 10m高度30年一遇10min最大平均风速为基本风速； GB50009改为50年一遇。 基本风压值计算公式： （3）塔体的设计压力、设计温度，塔体（包括封头）材料及厚度附 加量，裙座材料及厚度附加量，塔壳焊接接头系数，塔体与裙 座的焊接结构等。 （4）偏心悬挂的附属设备的重量确定（最小、操作及最大

12、重量）。 三、计算：1. 计算内容： 计算时所需准备计算条件： （5）确定危险截面位置。一般来说，危险截面为下述截面。 a. 塔器裙座底截面。 b. 裙座上开设人孔、手孔、引出管孔的中心位置截面。 c. 塔器筒体与裙座对接焊缝（或搭接焊缝）处截面。 d. 塔体等直径筒节上筒体壁厚变化处截面。 e. 塔体筒体直径变化的截面。 （6）对塔体进行分段。 在作自振周期、地震载荷计算中一般把塔体最多分为9段，作 风载荷计算时分段方法可不同于前者，分段越多，就越接近于实际 的风载荷分布情况，塔体分段原则为： a. 危险截面处必须分段 b. 每一段几何形状没有突变，每一段应是一个几何连续体。如直 径相等的圆

13、筒，半顶角不变的锥壳。 c. 每一段的刚度连续，即要求分段的壳体厚度相等。 d. 每一段质量分布没有突变，如筒体中有一定液位，气液分界 面必须分开。 三、计算：2. 自振周期 A. 名词术语： 自由度：指振动过程中任何瞬时都触完全确定系统在空间的几何位置 所需的独立坐标数目。 振型： 振动时任何瞬间各点位移之间的相对比值，即整个体系具有 的确定的振动形态。 一般取前三个振型，如下图所示。 自振周期： 设备以某固有频率作自由振动时的振动周期称为自振周期。三、计算：B. 模型的简化： 简化成一端自由、一端固定的臂梁，做平面弯曲振动，对等直径、等壁厚的塔式容器，按弹性连续体公式计算。不等直径或不等壁

14、厚的塔式容器按多自由度体系进行计算，方法： a) 首先将各段的分布质量聚缩成集中质量； b) 利用机械触守恒定律，并近似地给出振型函数，即可得到自振周期公 式，例如： y = yo ( hi / H ) 3 / 2 c) 一般仅限于基本振型，原因：二、三振型函数难以确定。C高振型计算：（标准规定H/D15,且H20m时） 按附录B计算，对等直径、等壁厚的塔式容器，可近似取： T2=1/6T1 T3=1/18T1 三、计算：D. 自振周期的计算： 对等直径、等壁厚的塔式容器 解析法计算中把塔视为质量均匀的悬壁梁作无阻尼自由振动。 单自由度体系， 自振周期 T = 2 m 质点的质量； y顶端作用

15、单力时的挠度，为体系的柔度，对塔式容器： 带入上式得出等直径等厚度的塔式容器自振周期公式 （85） 自振周期值随设备的质量和高度增加而增大 三、计算： 对于直径、厚度或材料沿高度变化 的塔式容器视为一个多质点体系。其中 直径和厚度不变的每段塔式容器质量， 可处理为在该段高度1/2处的集中质量。 其基本自振周期式： 其中截面惯性矩： 圆筒段 圆锥段 三、计算：2. 地震力计算（水平地震力和垂直地震力）： A. 名词术语： 震源： 地壳内发生断层破坏的一点，实际上断层面积很大，很难 确定其中的一点，一般采用其几何中心代替。 震中： 震源在地表面的投影。 震中距： 地表面上任一点距震中的直线距离。

16、震线： 表示地震大小的尺度，用震源释放能量大小度量。 烈度： 某一地区地面各类结构物和建筑物宏观破坏程度。 基本烈度：指在一定期限内，一个地区可能普遍遭遇到的最大烈度， 基本烈度为50年超越概率为10%的烈度。 设防烈度：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震 烈度。三、计算： 设计基本地震加速度： 50年设计基准期超越概率为10%的地震 加速度取值； 七度区 八度区 九度区 0.1g (0.15g) 0.2g (0.3g) 0.4g 抗震设防目标 当遭遇到多遇地震时，塔式容器处于正常使用状态（工作状态是 弹性状态）； 遭遇到相当于基本烈度时，结构进入弹塑状态; 遭遇到罕遇地震时，

17、应控制其变形，避免倒塌 。三、计算： B. 水平地震力计算： 计算理论：静力理论、动力理论、反应谱理论和历程响应分析。 计算方法：对多自由度和无限自由度体系，采用振型遇合法 a) 公式 F1k =11k m k g - (8-6) 1 为地震影响系数，其值为= EK， 式中的K为地震系数，为动力放大系数； 设计时可利用反应谱曲线查取； 1k 为振型参与系数；（按式（810） mk 为各质点质量； g 为重力加速度。 b) 地震影响系数 根据塔式容器所在地的设计地震分组、场地土类别，从表 8-2 确定特征周期值，再根据标准设计反应谱即图8-4 确定。三、计算：三、计算： i) 制定该反应谱时，取

18、阻尼比 l = 0.05；max= 2.25。 ii) 曲线由四部分组成： 上升段、平台段、下降区段1（或称曲线下降段）和下降区段 （又称直线下降段）。 iii) 曲线有三个拐点，对应的自振周期为0.01，Tg，5Tg， Tg一土壤的特征周期。与场地上类另和地震分组有关。 场地土壤分四类：、 地震分组分三组：第一组、第二组和第三组。 ）曲线的平台段为加速度控制段；下降区段落为速度控制段； 下降区段为位移控制段。 T很小时，结构刚度大，加速度控制；T很大结构很重，位移控制。 塔式容器实际阻尼不一定等于0.05，对曲线要修正。三、计算： 衰减系数： r = 0.9 + （87） 斜率调整系数：1

19、= 0.02 + (0.05 ) / 8（88） 阻尼调整系数：2 = 1 + （89） 式中：塔式容器阻尼比。（无实测数据时，取0.010.03) 曲线不同段修正效果不同，平台段最大， T = 6 秒时各种阻尼比结果接近。三、计算： C. 垂直地震力： 计算方法有：等效重力法，反应谱法和时程响应分析。 a) 计算方法 底截面处总的垂直地震力为 Fv0-0 =vmax m eg g 然后将总垂直地震力分配到每个质点处，分配原则是倒三角形， 即： Fvi = (I = 1，2，n) 需要说明的是：1）垂直地震只有在八度区和九度区才需验算。 2）对任何计算截面只有当最大弯矩是地震弯矩时， 才考虑统

20、计算截面的垂直地震力。 在塔式容器 H / D15，或高度大于等于20m时，还应考虑高振型的 影响。三、计算：3. 风载荷计算（顺风向风振和横风向风振）： A. 顺风向风振 a）名词术语 风压： 当风以一定速度运动时，垂直于风向的平面上所有受到 的压力。 基本风压：风载荷的基准压力，按我国荷载规范规定为十米高度处 五十年一遇十分钟的最大平均风速0，再考虑空气密度 ，按公式 q0=1/2v2计算得出，标准规定，q0不得 小于0.3KN/m2 地面粗糙度：风在到达结构以前吹越过2公里范围内的地面时，描 述地面上不规则障碍分布状况等级分为A、B、C、D 四级。（见表83 中注1）三、计算： 平均风：

21、 在风的顺风向时程曲线中超过10分钟以长周期部份。 脉动风； 在风的顺风向时程曲线中通常只有几秒钟的短周期 成分。 重现期： 是指连续两次超过某一数值的时间间隔。 高度变化系数：任意高度处风压与10米高度处的风压之比，它是 与高度和地面粗糙度，有关的系数，荷载规范规定 为指数规律：fi = c ( h / 10) 地面粗糙度 A B C D C 1.379 1.00 0.616 0.318 0.24 0.32 0.44 0.60 f i 可查表83三、计算： 体型系数：是指风作用在物体表面上所引起的实际压力 （或吸力）与风速度压（即q=1/29v2）的比值。此值 一般采用风洞试验或实测确定。

22、对圆截面K1=0.7，平面K1=1.4。 b）计算公式 平均风压对塔式容器静力作用 P1= K1 fi qo Ai 脉动风压对塔式容器动力作用 P2= K1 vizi Ai / fi P =P1 P2= K1 fi qo Ai ( 1 + vi zi / fi ) 令K2=1+ vi zi / fi 风振系数 标准规定 当H20m时，取K2 = 1.7 所以 P = K1 K2 fi qo Ai Ai受风面积 Di li三、计算： C) 水平风力的计算： 塔体某一计算截面的水平风力 计算段有效直径 Dei: 当笼式扶梯与塔顶管线成180o时： 当笼式扶梯与塔顶管线成90o时： 取两式计算的较大

23、值 三、计算： B. 横风向风振（附录A） 条件：当H/D15，且H30m 时，还应按规范附录进行横风向 风振计算。 a)产生的原因 气流绕过圆截面柱体时，压强和速度产生变化，形成卡曼涡街 效应，并给柱体一个横向推力，使柱体沿垂直于风的流动方向上 产生振动。三、计算： b） 是否发生共振的判别。 当塔式容器的自振频率与漩涡的脱落频率相等时，将产生共振。 判别：对塔共振时的风速（临界风速）与塔顶风速（设计风速） 进行比较： vvc1 不需考虑塔器共振 vc1vvc2 必须考虑第一振型振动 vvc2 考虑一、二附振动，取最大值。 c） 顺风向与横风向的弯矩组合 （A.6） 取下列两式的较大者 ）设

24、计风在横风向引起的风振，由于没有达到共振状态，以顺风向的响应值为主 ）在临界风速作用下，塔式容器处于共振状态，以临界风速ci 换算 qci 代替 q0, 计算顺风向风弯矩Mcw-三、计算： 4、最大弯矩计算：塔式容器载荷图：三、计算：4、最大弯矩计算：A.地震弯矩计算 塔式容器任意计算截面的基本振型地震弯矩 对等直径、等厚度塔式容器 任意截面： 底截面0-0: 对高振型的影响，要计算组合地震弯矩三、计算：4、最大弯矩计算：B. 风弯矩计算 塔式容器任意计算截面的风弯矩 塔式容器底截面0-0处的风弯矩 C. 偏心载荷引起的弯矩计算 Me = mege 三、计算：4、最大弯矩计算：D. 最大弯矩计

25、算 塔式容器任意计算截面的最大弯矩 取其中较大值 塔式容器底截面0-0处的风弯矩 取其中较大值 有横向风影响时，任意计算截面的最大弯矩 取其中较大值三、计算: 5、应力校核： A. 筒体轴向应力校核 由内压或外压引起的轴向应力 由操作或非操作时重力及垂直 地震力引起的轴向应力 由弯矩引起的轴向应力 筒体许用轴向压应力 取其中较小值 注：1. Fv1-1仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 2. 圆锥形筒体应力与圆筒相似，考虑cos。 3. 系数 B按5.2.4计算。 三、计算: 圆筒最大组合压应力（稳定性校核） 对内压容器： 2 3 cr 对内压容器： 1 2 3 cr 圆筒最大组合拉应

26、力 对内压容器： 1 2 3 Kt 对内压容器： 2 3 Kt三、计算: B. 试验应力时筒体应力校核 试验应力引起的轴向应力 重力引起的轴向应力 弯矩引起的轴向应力 筒体许用轴向压应力 取其中较小值 轴向拉应力 水压试验时 1 2 3 0.9 RcL(Rp0.2) 气压试验时 1 2 3 0.8 RcL(Rp0.2) 轴向压应力 2 3 cr三、计算: C. 裙座壳轴向应力校核 1. 裙座的应力 1）由于裙座筒体不承受内压力 的作用，轴向拉应力总是小于 轴向压应力。因此只需校核危 险截面的轴向压应力。 2）分别按操作工况和液压试验 工况（最大质量）进行校核计 算。 2. 校核截面 1）裙座壳

27、底截面的组合应力 校核； 2）裙座壳检查孔或较大管线 引出孔截面的应力校核； 计算公式见标准（84750） 三、计算: D. 地脚螺栓座计算： 1. 基础环厚度计算： 1）基础环板承受的载荷 塔式容器的重量及由地震载荷、 风载荷、偏心载荷引起的弯矩通过裙 座筒体作用在基础环上，而基础环安 放在混凝土基础上。在基础环与混凝 土基础的接触面上，形成最大压应力 bmax，如右图。基础环板应有足够 的厚度以承受这些应力。 2）无筋板基础环 按操作工况和液压试验工况计算 最大压应力，取其较大值，按式 （853）计算基础板所需厚度。 三、计算: D. 地脚螺栓座计算： 1.基础环厚度计算； 3）有筋板基础

28、环 由于筋板的作用，基础板被加强，此时可视基础板为一矩形板， 分别取两筋板的间距及基础板的外伸长度为矩形板的边长，按表87 取计算系数，按式（856）、（857）计算弯矩，取其较大值为矩 形板的计算力矩，代入 式（854）中计算基 础板厚度。 2.筋板的压应力计算； 按受压杆系计算其 压应力。 计算式（86062） 三、计算: 3. 环板计算； 分别按分块、 环形、有垫板、 无垫板。 计算公式见标准 （86066） E. 塔式容器法兰的当量设计压力 塔式容器各段采用法兰连接时，法兰要同时考虑内压、轴向力、 外力矩的作用，其当量设计压力为：三、计算: E. 地脚螺栓计算： 1.地脚螺栓的作用； （1）正确固定塔的位置；（2）防止塔在倾覆力矩作用下倾倒。 2. 计算方法； 维赫曼法；泰勒法；极限载荷法。 3. 地脚螺栓最大拉应力计算； 式（858）； 重力载荷为最小载荷。 B0,自身稳定， 地脚螺栓器起 固定作用； B 0,需要计算螺 栓面积（螺纹 小径）。 三、计算: F. 裙座与塔壳的连接焊缝计算： 1.裙座与塔壳搭接焊缝； 剪应力校核计算 2.裙座与塔壳对接焊缝； 对接焊