醋酸塔设计计算书

1、醋酸塔设计计算书醋酸塔设计计算书1.设计参数设计压力 MPa0.3最高工作压力 MPa0.04设计温度 180最高工作温度 148工作介质醋酸、醋酐工作介质特性中度危害、爆炸危险设计风压值 N/m2350地震设防烈度七度场址土类型地面粗糙度B腐蚀余量 mm1焊接系数1保温层 材料/厚度mm岩棉/1002设计计算2.1塔壳强度计算塔壳、裙座和封头材料选用S30403 （t=110Mpa）腐蚀余量C1=1mm金属材料厚度负偏差C2=1mmC=C1+C2=2mm2.1.1圆筒：为节省材料将塔身分为4段：参见图-1l1=10000 mm pc=0.3+9.810.0510-3=0.4 MPa1=pcD

2、i2t-pc=0.4160021101-0.4=2.9 mm1=2.9+C=4.9圆整以后 1=6 mml2=8400 mmpc=0.3+9.8(10+8.4)1.0510-3=0.489 MPa2=pcDi2t-pc=0.489160021101-0.489=3.56 mm2=3.56+C=5.56圆整以后 2=8 mm l3=10000 mm pc=0.3+9.8(10+8.4+10)1.0510-3=0.59 MPa3=pcDi2t-pc=0.59160021101-0.59=4.30 mm3=4.30+C=6.30圆整以后 3=10 mml4=10000 mm pc=0.3+9.8(1

3、0+8.4+10+10)1.0510-3=0.69MPa4=pcDi2t-pc=0.69160021101-0.69=5.03 mm4=5.03+C=7.03圆整以后 4=12 mm2.1.2标准椭球形封头：上封头：h1=KpcDi2t-0.5pc=10.3160021101-0.50.3=2.18 mmh1=2.18+C=4.18圆整以后 h1=6 mm下封头：h2=KpcDi2t-0.5pc=10.69160021101-0.50.69=5.02 mmh1=5.02+C=7.02圆整以后 h2=12 mm图-1 塔身分段示意图2.2塔器质量计算圆筒壳、裙座壳和封头质量：m01=4D02-D

4、i2H=41.6122-1.6210.637.93103+41.6162-1.628.47.93103+41.622-1.62107.93103+41.6242-1.6215.67.93103=7514 kgD0各段塔的外径Di各段塔的内径H各段塔的长度：l1=10.63 m l2=8.4 m l3=10 m l4=15.6m钢材的密度：=7.93103 kg/m3附属件质量：ma=0.25m01=0.257514=4191 kg内构件质量：塔板共有六组，每组塔板高度分别为0.04m，0.06m；金属填料体积为 5.23 m3 内构件材料与塔体相同。m02=41.620.04+0.067.93

5、1036+5.237.93103=51036 kg保温层质量：保温层厚度为100mm，保温层材料密度=100kgm3m03=41001.8122-1.612210.63+1.8162-1.61628.4+1.822-1.62210+1.8242-1.624215.67=2409 kg平台扶梯质量：塔体共有七个人孔，所以需要设计七层平台，附体质量40 kg/m，平台质量150kg/m2m04=41503.8122-1.81222+3.8162-1.81621+3.822-1.8222+3.8242-1.82422+44.63-1.8340=11002 kg 物料质量：物料假设为纯乙酸，其密度为1

6、.05103kg/m3m05=41.6244.63-5.6-0.63+0.41.05103-5.231.05103=76380 kg水压试验质量：mw=41.6244.63-5.6-0.63+0.4103-5.23103=72742 kg塔器操作质量：m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma=16764+51036+2409+11002+76380+4191=161782 kg塔器最大质量：mmax=m0=161782 kg塔器最小质量：mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma=10827+0.251036+2067+5527.1+2706.75=31335 kg将全塔沿

7、着高度分成9段，其中裙座分为2段，筒体分为7段，其各段质量列入表2-1 。分段方法参见图-2图-2 质量分段示意图表2-1各分段质量段号123456789长度0.94.72.945.45.45.35.96.47.69m01433.502263.81416.12601.02164.82124.71889.81535.61845.1ma108.37565.96354.02650.25541.20531.18472.46383.90461.28m01+ma541.92829.81770.13251.22706.02655.92362.31919.52306.4m020007974.27974.271

8、76.68771.79569.39569.3m0300159.15292.32291.64286.24317.90344.04413.38m04361881353.51451.91450.01446.01468.11486.21537.8m05006203.6105491054910444114991244815170mw005908.210047100479946.8109511185514448m0577.873017.89486.4235192297122009244192576728997mmax577.873017.89486.4235192297122009244192576728

9、9972.3塔器的基本自振周期的计算因为该塔器沿着高度方向壁厚不相等根据JB/T 47102005：T1=114.8i=1nmihiH3i=1nHi3EitIi-i=inHi3Ei-1tIi-110-3其中截面惯性矩对于圆通段为：Ii=8Di+ei3ei所以各段的截面惯性矩为：I1=81600+10310=1.61010 mm4I2=81600+838=1.31010 mm4I3=81600+636=1.01010 mm4I4=81600+434=0.61010 mm4各段的质量为：m1=7514.0 kgm2=40089.9 kgm3=2690.7 kgm4=2550.5 kg各段的长度：H

10、1=44630 mmH2=29030 mmH3=19030 mmH4=10630 mmH=44630 mmh1=7800 mmh2=20600 mmh3=29800 mmh4=39315 mm所以：i=14mihiH3=75147800446303+4008.920600446303+2690.729800446303+2550.539315446303=2979 kgi=14Hi3EitIi=4463031.91051.61010+2903031.91051.31010+1903031.91051.01010+1063031.91050.61010=0.0507i=inHi3Ei-1tIi-

11、1=2903031.91051.61010+1903031.91051.31010+1063031.91051.01010=0.0114所以该醋酸塔的自振周期为：T1=114.8i=1nmihiH3i=1nHi3EitIi-i=inHi3Ei-1tIi-110-3=1.24 s2.4地震载荷及地震弯矩的计算2.4.1地震力将塔沿着高度方向分为9段，是每段高度之间的质量为作用在该段高度1/2处的集中质量，各段集中质量对该截面所引起的地震力列于表2-2表2-2 各段地震力塔段号123456789Mi kg577.93017.89486.423519.22971.2200924419.25767.6

12、28997.5各段长度90047002940540054005300590064007690hi /mm450325061705640810080508250910010245hi1.59.5461031.8531054.8461054.2361057.2901057.2231057.4931058.6811051.037!06mihi1.55.5161065.5911084.5981099.9621091.67510101.59010101.83010102.23710103.0071010mihi35.26610101.03610142.22810154.22010151.22110161

13、.14810161.37110161.94210163.1181016A/B.25310-61k1.961022.32210-16.07410-15.30910-19.13710-19.0521019.39210-11.0871001.299100F1k2.7102.7471022.2591034.8941038.2271037.8101038.9901031.0991041.477104在任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型水平地震力：F1k=11kmkg1对应于基本振型自振周期T1的地震影响系数：1=TgT12max=0.04Tg土地特征周期值，由GB/T47102000表8-2查的

14、为0.04衰渐指数：=1+0.05-i0.5+5i=1+0.05-0.010.5+50.01=0.973i第I级振型阻尼比，第一振型取为0.012阻尼调整系数：2=1+0.05-i0.06+1.7i=1+0.05-0.010.5+1.70.01=1.519max地震影响系数的最大值，由GB/T47102000表8-1查的为0.081k基本振型参与系数：1k=hk1.5i=1nmihi1.5i=1nmihi3=hk1.5ABmk各段质量因为设防烈度为7级所以不用考虑垂直地震力2.4.2地震弯矩分别计算塔的0-0，1-1,2-2，三个截面的弯矩：0-0截面弯矩计算公式：M0-0E1=k=19F1k

15、hk=4.97108 Nmm1-1截面弯矩计算公式：M1-1E1=k=29F1khk-h=4.45108 Nmm2-2截面弯矩计算公式：M2-2E1=k=39F1khk-h=1.72108 Nmm2.5风载荷及风弯矩的计算2.5.1风载荷将塔沿着高度方向分为9段，计算结果如表2-3：表2-3 风载荷计算段号123456789长度/m00.90.95.65.68.548.5413.9413.9419.3419.3424.6424.6430.5430.5436.9439.9444.63q0350fi0.0250.9641.361.41.611.711.81.861.97vi0.06480.4032

16、0.6150.7480.780.810.830.840.86zi00.010.0210.060.140.250.40.570.85K2i11.001.021.071.151.271.421.591.86Pi11.86294.09262.68522.00645.50739.7970.661214.71800.4顺风向水平风力Pi，单位N：Pi=K1K2iq0filiDei10-6其中：K1体型系数，取K1=0.7K2i塔器第i段的风振系数：K2i=1+vizifi脉动增长系数，取=2.31vi第i计算段脉动影响系数zi第i计算段振型系数fi风压高度变化系数q0基本风压值li塔第i计算段的长度mm

17、Dei塔第i计算段的有效直径，单位mm：Dei=Doi+2si+K3+K4=2616 mmDoi塔器第i计算段的外直径 mmsi塔器第i计算段的保温层厚度 mmK3笼式扶梯取K3=400 mmK4操作平台当量宽度K4=400 mm2.5.2风弯矩（1）0-0截面风弯矩：Mw0-0=p1l12+p2l1+l22+p9p1+p2+p3+p92=1.77108 Nmm（1）1-1截面风弯矩：Mw1-1=p2l22+p3l2+l32+p9p2+p3+p4+p92=1.72108 Nmm（1）2-2截面风弯矩：Mw2-2=p3l32+p4l3+l42+p9p3+p4+p5+p92=1.41108 Nmm

18、2.6各计算截面的最大弯矩Mmax0-0=Mw0-0ME0-0+0.25Mw0-0取其中较大值；（1）所以0-0截面：Mmax0-0=Mw0-0ME0-0+0.25Mw0-0=1.17108 Nmm4.97108+0.251.17108=5.26108 Nmm所以0-0处截面最大弯矩为5.26108 Nmm（2）1-1截面：Mmax1-1=Mw1-1ME1-1+0.25Mw1-1=1.12108 Nmm4.45108+0.251.12108=4.73108 Nmm所以1-1处截面最大弯矩为4.73108 Nmm（3）2-2截面：Mmax2-2=Mw2-2ME2-2+0.25Mw2-2=1.41

19、108 Nmm1.72108+0.251.41108=2.07108 Nmm所以2-2处截面最大弯矩为2.07108 Nmm2.7圆筒应力校核验算塔壳2-2截面处操作质量时和压力试验时的强度和稳定性。因为操作时质量的大于水压试验时的质量，所以水压试验是校核省略。计算截面以上塔的操作质量m02-2=158168 kg塔壳的有效厚度e=10 mm计算截面的横截面积A=Die=50240mm2计算截面的截面系数Z=4Di2e=20106 mm3最大弯矩Mmax2-2=2.07108 Nmm操作时压力引起的轴向应力1=PcDi4e=27.6Mpa重力引起的的轴向应力2=m02-2gA=30.9Mpa弯

20、矩引起的轴向应力3=Mmax2-2Z=8.6MPa最大组合压应力2+3=39.5cr=MinKB=1.266=79.2Kt=1.210=132MPa最大组合拉应力1-2+3=5.3Kt=132MPa计算截面风弯矩Mw2-2=1.41108 Nmm其中B为系数，由GB50可以查得B=66。经过校核可以得出：截面2-2合格。2.8裙座壳轴向应力校核（1）0-0截面KB=1.266cos4=78.8Kst=1.2122=146.4=78.8MPa,Bcos42=65.70.9s=0.9122=109.8=65.7MPa,Zsb=4Dis2es=24002104=4.5107 mm3Asb=Dises

21、=240010=75360 mm2;所以1cosMmax0-0Zsb+m0gAsb=32.2MPa78.8MPa1cos0.3Mw0-0Zsb+mmaxgAsb=22.2MPa65.7MPa（2）1-1截面人孔公称直径bm=150mm;m=12mm;m01-1=161204kg;Dim=2271mmAsm=Dimes-m+2mes=66569 mm2Zsm= Dim2es-bmDimes2=3.5107mm31cosMmax1-1Zsm+m0gAsm=3.65MPa78.8MPa1cos0.3Mw1-1Zsm+mmaxgAsm=25MPa65.7MPa2.9基础环厚度计算基础环外径Dob=Di

22、s+160400=2400+300=2700mm基础环内径Dib=Dis-160400=2400-300=2100mm基础环界面系数Zb和截面系数AbZb=Dob4-Dib432Dob=1.2109Ab=4Dob2-Dib2=2.3106洪凝土基础上的最大压力bmax=Mmax0-0Zb+m0gAb=1.1MPa0.3Mw0-0Zb+mmaxgAb=0.73MPa取bmax=1.1MPa基础环采用有筋板设计：取两相邻筋板最大外侧间距l=400 mmb=D0b-2400-1222=138 mm根据JB/T 4710-2005 选取Cx=-0.41 Cy=0.01Mx=Cxbmaxb2=-0.41

23、1.11382=-8589My=Cybmaxl2=0.011.14002=1760Ms=maxMx,My=8589基础环有筋板时的厚度：（b=170MPa,Q345）b=6Msb=68589170=18 mm2.10地脚螺栓计算地脚螺栓承受最大拉应力：B=Mw0-0Zb-mmingAb=-0.04MPaME0-0+0.25Mw0-0Zb-m0gAb=-0.09MPa因为B0所以该塔器为自平衡，根据GB150的相关规定，需要布置一定量的螺栓。取B=1MPa。地脚螺栓的螺纹小径d1为：d1=4BAbnbt+C2=38.3mmbt螺栓材料许用应力：147Mpan螺栓个数为16C2腐蚀余量，取为3mm

24、所以根据GB/T 4710-2005选取M42螺栓，个数为16个。3开孔补强计算塔顶气相出口接管开孔补强设计压力p=0.3MPa设计温度：180塔体内径：D1=1600 mm接管伸出长度d=630mm塔体材料：S30403，t=110 MPa接管材料：S30403，nt=69 MPa塔体名义厚度n=6 mm塔体有效厚度e=n-C=6-1-1=4 mm塔体计算厚度l=2.18 mm由GB 17395-2008查得接管名义厚度nt=9 mm接管有效厚度et=nt-C=9-1-1=7 mm接管计算厚度l=5 mmfr=ntt=0.627 根据GB150.3需要采用等面积补强方法。开孔直径dop=30

25、0+22=304mm壳体开孔所需要补强面积：A=dop+2et1-fr=3042.18+22.1871-0.627=674mm2有效宽度：B=2dop=2304=608 mmdop+2n+2nt=304+26+29=334 mm取B=608mm，外伸接管有效补强高度：h1=dopnt=52.3mm630mm取h1=52.3mm壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1=B-dope-2ete-1-fr=608-3044-2.18-274-2.181-0.627=509 mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A2=2h1et-lfr=252.37-50.627=131 mm2焊缝金属截

26、面积：A3=36 mm2补强截面积：Ae=A1+A2+A3=509+131+36=676 mm2需要另加补强面积：A4=A-Ae=674-676=-2 mm2所得结果为正，所以不需要补强。塔底再沸器入口接管开孔补强计算；设计压力p=0.69MPa设计温度：180塔体内径：D1=1600 mm接管伸出长度d=1200mm塔体材料：S30403，t=110 MPa接管材料：S30403，nt=69 MPa塔体名义厚度n=12 mm塔体有效厚度e=n-C=6-1-1=10 mm塔体计算厚度l=5.02 mm由GB 17395-2008查得接管名义厚度nt=9 mm接管有效厚度et=nt-C=9-1-

27、1=7 mm接管计算厚度l=5 mmfr=ntt=0.627 根据GB150.3需要采用等面积补强方法。开孔直径dop=250+22=254 mm壳体开孔所需要补强面积：A=dop+2et1-fr=2545.02+25.0271-0.627=1301mm2有效宽度：B=2dop=2254=508 mmdop+2n+2nt=254+212+29=296 mm取B=508 mm，外伸接管有效补强高度：h1=dopnt=2549=48 mm1200mm取h1=48 mm壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1=B-dope-2ete-1-fr=508-25410-5.02-2710-5.021-

28、0.627=1239 mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A2=2h1et-lfr=2487-50.627=120 mm2焊缝金属截面积：A3=36 mm2补强截面积：Ae=A1+A2+A3=1239+120+36=1395 mm2需要另加补强面积：A4=A-Ae=1301-1395=-94 mm2所得结果为负，所以不需要补强。塔体人孔开口补强计算（ = 1 * ROMAN I）第一段塔体上人孔的计算：设计压力p=0.4MPa设计温度：180塔体内径：D1=1600 mm接管伸出长度d=1016 mm塔体材料：S30403，t=110 MPa接管材料：S30403，nt=69 MPa

29、塔体名义厚度n=6 mm塔体有效厚度e=n-C=6-1-1=4 mm塔体计算厚度lt=2.9 mm由GB 17395-2008查得接管名义厚度nt=9 mm接管有效厚度et=nt-C=9-1-1=7 mm接管计算厚度l=5 mmfr=ntt=0.627 根据GB150.3需要采用等面积补强方法。开孔直径dop=500+22=504 mm壳体开孔所需要补强面积：A=dop+2et1-fr=5042.9+22.971-0.627=1477 mm2有效宽度：B=2dop=2504=1008 mmdop+2n+2nt=504+26+29=534 mm取B=1008 mm，外伸接管有效补强高度：h1=d

30、opnt=68 mm1016 mm取h1=68 mm 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1=B-dope-2ete-1-fr=1008-5044-2.9-274-2.91-0.627=548 mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A2=2h1et-lfr=2687-50.627=171 mm2焊缝金属截面积：A3=52 mm2补强截面积：Ae=A1+A2+A3=548+171+52=771 mm2需要另加补强面积：A4=A-Ae=1477-771=706 mm2所得结果为正，所以需要补强，采取补强圈补强方式，厚度采取壁厚6mm（ = 2 * ROMAN II）第二段塔体上人孔的

31、计算：设计压力p=0.489 MPa设计温度：180塔体内径：D1=1600 mm接管伸出长度d=1016 mm塔体材料：S30403，t=110 MPa接管材料：S30403，nt=69 MPa塔体名义厚度n=8 mm塔体有效厚度e=n-C=8-1-1=6 mm塔体计算厚度l=3.65 mm由GB 17395-2008查得接管名义厚度nt=9 mm接管有效厚度et=nt-C=9-1-1=7 mm接管计算厚度l=5 mmfr=ntt=0.627 根据GB150.3需要采用等面积补强方法。开孔直径dop=500+22=504 mm壳体开孔所需要补强面积：A=dop+2e1-fr=5043.65+

32、23.6571-0.627=1858 mm2有效宽度：B=2dop=2504=1008 mmdop+2n+2nt=504+28+29=538 mm取B=1008 mm，外伸接管有效补强高度：h1=dopnt=68 mm1016 mm取h1=68 mm壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1=B-dope-2ete-1-fr=1008-5046-3.65-276-3.651-0.627=1172 mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A2=2h1et-lfr=2687-50.627=171 mm2焊缝金属截面积：A3=80 mm2补强截面积：Ae=A1+A2+A3=1172+171+

33、80=1423 mm2需要另加补强面积：A4=A-Ae=1858-1423=435 mm2所得结果为正，所以需要补强，采取补强圈补强方式，厚度采取壁厚8mm（ = 3 * ROMAN III）第三段塔体上人孔的计算：设计压力p=0.59 MPa设计温度：180塔体内径：D1=1600 mm接管伸出长度d=1016 mm塔体材料：S30403，t=110 MPa接管材料：S30403，nt=69 MPa塔体名义厚度n=10 mm塔体有效厚度e=n-C=10-1-1=8 mm塔体计算厚度l=4.3 mm由GB 17395-2008查得接管名义厚度nt=9 mm接管有效厚度et=nt-C=9-1-1

34、=7 mm接管计算厚度l=5 mmfr=ntt=0.627 根据GB150.3需要采用等面积补强方法。开孔直径dop=500+22=504 mm壳体开孔所需要补强面积：A=dop+2et1-fr=5044.3+24.371-0.627=2190 mm2有效宽度：B=2dop=2504=1008 mmdop+2n+2nt=504+210+29=542 mm取B=1008 mm，外伸接管有效补强高度：h1=dopnt=68 mm1016 mm取h1=68mm 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1=B-dope-2ete-1-fr=1008-5048-4.3-278-4.31-0.627=1

35、845 mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A2=2h1et-lfr=2687-50.627=171 mm2焊缝金属截面积：A3=116 mm2补强截面积：Ae=A1+A2+A3=1845+171+116=2132 mm2需要另加补强面积：A4=A-Ae=2190-2132=58 mm2所得结果为正，所以需要补强，采取补强圈补强方式，厚度采取壁厚10mm（ = 4 * ROMAN IV）第四段塔体上人孔的计算：设计压力p=0.69 MPa设计温度：180塔体内径：D1=1600 mm接管伸出长度d=1016 mm塔体材料：S30403，t=110 MPa接管材料：S30403，nt=

36、69 MPa塔体名义厚度n=12 mm塔体有效厚度e=n-C=12-1-1=10 mm塔体计算厚度l=5.03 mm由GB 17395-2008查得接管名义厚度nt=9 mm接管有效厚度et=nt-C=9-1-1=7 mm接管计算厚度l=5 mmfr=ntt=0.627 根据GB150.3需要采用等面积补强方法。开孔直径dop=500+22=504 mm壳体开孔所需要补强面积：A=dop+2et1-fr=5045.03+25.0371-0.627=2561 mm2有效宽度：B=2dop=2504=1008 mmdop+2n+2nt=504+212+29=546 mm取B=1008 mm，外伸接管有效补强高度：h1=dopnt=68 mm1016 mm取h1=68mm 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1=B-dope-2ete-1-fr=1008-50410-5.03-2710-5.031-0.627=2479 mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A2=2h1et-