化工设备机械基础课程设计

设计参考数据塔体内径/mm2000塔高/mm40000计算压力/MPa0.9设计温度/℃150基本风压值/N/㎡300地震设防烈度/度8场地土类Ⅰ类设计地震分组第二组设计基本地震加速度0.2g地面粗糙度B类塔盘数70塔盘存留介质层高度/mm90塔盘间距/mm450介质密度/kg/m3800保温层厚度/mm100保温层材料密度/kg/m3300平台宽度1000人孔间距10层塔板半圆形平台数7单位质量/㎏/㎡150包角180°再沸器操作质量/kg3800再沸器偏心距/mm2000塔体与封头材料Q345R裙座材料Q235-B塔体与封头厚度附加量/㎜3裙座附加量/㎜3塔体焊接接头系数Φ0.851/24目录34 4610111113161719202224272/24一、塔体的设计条件1、塔体的内径Di 2000m，塔高近似取H 40000mm；2.计算压力Pc 0.9Mpa，设计温度150℃；3、设置地区：基本风压值q0=300N/m2，地震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，地震分组为第二组；场地土类：I类，地面粗糙度类。4、塔内装有 N=70层浮阀塔盘，塔盘间距450mm，每层塔板上每块塔盘上存有介质高度为hw 90mm，塔板上介质密度为800kg/m3；5、塔壳外表面层 100mm，保温层材料的密度300kg/m3。6、沿塔高每 10层塔盘开设一个人孔，人孔数为7个，相应在人孔处安装平台为，平台宽1.0m，单位质量150kg/㎡，包角180°。7、塔体与裙座间悬挂一台再沸器， 其操作质量为me3800kg，偏心距e=2000mm；8、塔体与封头材料选用 Q345R,其中[ ]t 170MPa,[] 170MPa, s 345Mpa,E 1.9105Mpa，裙座材料选用 Q235-B。9、塔体与裙座厚度附加量 C=3mm，裙座厚度附加量3mm。塔体与裙座对接焊缝，塔体焊接接头系数 0.85。对该塔进行强度和稳定计算。3/24二、按计算压力计算塔体、封头和裙座厚度1、塔体厚度计算pcDi0.920002[]tpc21706.25mm0.850.9考虑厚度附加量 C=3mm，经圆整后取 n 12mm。2、封头厚度计算pcDi0.920002[]t0.5pc6.24mm21700.850.50.9考虑厚度附加量C=3mm，经圆整后取n12mm。3、裙座厚度也取 12mm。三、塔设备质量载荷计算1、筒体圆筒、封头、裙座质量 m01m01Do2Di2H442.024222407.8510323817kg2、附属间质量mama 0.25m01 5954kg3、塔内构件质量m02m02Di270754707516493kg44（浮阀塔盘质量 75kg/m2）4、保温层质量m03m03[(2.02422(403.6)3000.2)2.024]47287kg4/245、平台、扶梯质量 m04m[(2.0242)22.0242]15071404004426588kg说明：单位面积质量150kg/m2，笼式扶梯单位长度质量40kg/m；笼式扶梯总高40m，平台数量为 7。6、操作时物料质量 m05m054Di2hwN4220.0970800=15834kg说明：物料密度800kg/m3，塔板数N=70，塔板上液层高度hw0.09m。7、充水质量为mw 22（40-3.6）1000=114354kg 其中 w 1000kg/m348、各种质量载荷汇总将全塔分为9段，计算各质量载荷（计算中略有近似）段号123456789塔段长度180018006750475047504750475047505900m01ma1339.71339.75023.93535.33535.33535.33535.33535.34391.2m020052356.12356.12356.12356.12356.12356.12356.1m03001351.3950.9950.9950.9950.9950.91181.1m047272982.5902.5902.5902.5902.5902.5948.5m05002262226222622262226222622262mw0021205.814922.614922.614922.614922.614922.618535.4me0190019000000005/24m01411.73311.713875.810006.810006.810006.810006.810006.811138.9mmax1411.73311.732819.622667.422667.422667.422667.422667.427412.3mmin1411.73311.79728.95859.95859.95859.95859.95859.96992全塔操作质量m0 m01m02m03m04m05mame2381716493728749881600158345954380079773kg全塔最小质量mmin m01 0.2m02 m03 m04 ma me238170.2164937287498816005954380050745kg水压试验时最大质量mmax m01m02m03m04mamwme23817 16493 7287 4988 114354 5954 1600 3800178293kg四、风载荷与风弯矩计算1、风载荷计算示例以2~3段为例计算风载荷 P3PK1K23q0fl3De3106(N)33式中：K1——体形系数，对圆筒形容器， K1 0.7q0——10m高处基本风压值，q0300N/m2f3——风压高度变化系数，查表8-5得：f31.00986/24l3——计算段长度， l3 6750mmKv3——脉动影响系数，由表得： v3 0.72T1——塔的基本自振周期，对等直径、等厚度得圆截面塔：T1 90.33H m0H 103ESeDi390.334000068902.299400001031.75s1.910520003——脉动增大系数，根据自振周期 T1，由表查的： 2.50z3——振型系数，由表得： z3 0.108K23——风振系数K23v3z312.500.720.10811.00981.193f3De3——塔的有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90°，取下a、b中较大者。a.De3D0i2s3K3K4b.De3D0i2s3K4d02psK3 400mm，d0 450mm， s3 ps 100mm2A10001000K42l3296.3mm6750ab，取De33170.mm37/24PKKqflD1063123033e30.71.1933001.0098675003170.31065413.76()N2、各段塔风载荷计算结果塔段1 2 3 4 5 6 7 8 9号li/mm180018006750475047504750475047505900q0/(N/m2)300K10.7iB类0.720.720.720.760.790.810.830.840.85zi0.020.020.1080.2120.340.480.650.8251.002.50K2i1.0361.0361.1931.3531.5391.7321.9572.1732.362hit/m0.0450.090.260.380.500.6150.730.851.00fiB类1.001.001.0091.1421.2461.3281.4091.4771.56827204平台001111111数K4/mm00296.3421.1421.1421.1421.1421.1421.1Di/mm267426743170.3295.3295.3295.3295.3295.3213.0311111Pi/N1047.11047.165413.5079.6306.7561.9063.1055214668.67651412424.11538/243、风弯矩计算0-0截面：00l1P2l1l2P8l1l2l3l4l5l8MwP12221047.169001047.1618009005413.76(1800180033755079.51(1800180067502375)9063.24(36006750475032375)14668.53(3600675047505900)521.507109Nmm1-1截面：Mw11P2l2P3l2l3P8l2l3l4l5l82221047.169005413.76(18003375)5079.51(180067502375)6306.41(1800675047502375)7561.24(18006750475022375)9063.24(18006750475032375)10552.11(18006750475042375)14668.53(18006750475055900)109N21.365mm2-2截面：Mw22P3l3P4l3l4P6l3l4l5l62225413.7633755079.51(67502375)6306.41(675047502375)7561.24(6750475022375)9063.24(6750475032375)10552.11(6750475042375)14668.53(6750475052950)91.29210Nmm9/24五、地震载荷计算取第一振型阻尼比为 1 0.02则衰减指数0.90.050.020.950.550.02T11.75s塔的总高度H=40000mm全塔操作质量m079773kg重力加速度g9.81m/s2地震影响系数1[20.21(T15Tg)]max由表查的max0.16（设防烈度8级）由表查的Tg0.31(0.051)0.020.0237580.05110.050.02211.70.061.71.3190.0610.021[20.21(T15Tg)]max[1.3190.20.950.2375(1.751.5)]0.160.0448计算截面距地面高度 h：0-0截面：h=01-1截面：h=1800mm2-2截面：h=3600mm等直径、等厚度的塔， H/Di 40000/2000 20 15，按下列方法计算地震弯矩。0-0截面：10/24ME'00161m0gH350.0448797739.8140000356.41108NmmME00 1.25ME'00 8.01 108N mm1-1截面：'1181m0g(10H3.514H2.5h4h3.5)ME175H2.580.0448797739.813.52.518002.5(10400001440000175400003.58418006.010Nmm11'118ME1.25ME7.510Nmm2-2截面：M'2281m0g(10H3.514H2.5h4h3.5)E175H2.580.0448797739.81(10400003.514400002.53600175400002.536003.54)5.6108Nmm22'228ME1.25ME7.010Nmm六、偏心弯矩计算Me mege 3800 9.81 2000 0.7456 108Nmm七、各种载荷引起的轴向应力1、计算压力引起的轴向压应力 11PcDi20000.950MPa4S49其中snC1239mm11/242、操作质量引起的轴向压应力 20-0截面：00m000gm000g797739.8113.84MPa2AsbDis200010es裙座的有效厚度esnC1239mm1-1截面：11m011g78361.39.8114.57MPa2Asm52767其中，m011797731411.778361.3kg，Asm为人孔截面的截面积，查相关标准得：Asm52767mm22-2截面：22m022g75049.69.8113.02MPa2Die20009其中，m022797731411.73311.775049.6kg3、最大弯矩引起的轴向应力30-0截面000015.8210800MmaxMmax55.95MPa3Zsb0.785200022Ses9Dis4其中，最大弯矩 Mmaxii取下式计算值中较大者：Mmax00Mw00Me(15.070.7456)10815.82108NmmMmax00ME000.25Mw00Me(8.010.2515.070.7456)10812.52108Nmm1-1截面：11Mmax1114.73310855.96MPa3Zsm2.63310712/24式中Zsm——裙座人孔截面的抗弯截面系数。查相关标准得：Zsm=2.633 107mm3其中，最大弯矩 Mmaxii取下式计算值中较大者：Mmax11Mw11Me(13.990.7456)10814.733108NmmMmax11ME110.25Mw11Me(7.50.2513.90.7456)10811.72108Nmm2-2截面：22Mmax22Mmax2213.6510848.28MPa3Z0.7852000229Die4其中，最大弯矩 Mmaxii取下式计算值中较大者：Mmax22Mw22Me(12.90.7456)10813.65108NmmMmax22ME220.25Mw22Me(70.2512.90.7456)10810.97108Nmm八、筒体和裙座危险截面的强度性校核1、筒体的强度与稳定性校核2-2截面：筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉力22max组拉：2222225013.0248.2885.26MPamax组拉1232285.26MpaKt173.4Mpamax组拉因为22t，故满足强度条件。max组拉K其中，轴向许用应力：Kt1.21700.85173.4MPa2、塔体与裙座的稳定性校核2-2截面：13/24筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压力22max组压：22222213.0248.2861.3MPamax组压23许用轴向压应力：KB取其中较小值。CrtK按GB-150钢制压力容器中的规定，由A0.0940.0940.00084Rm/e1006/9查相应的材料图(16MnR)得B=106Mpa,t170MpaKB1.2106127.2MPa则t，取Cr127.2MPa,K1.2。K1.2170204MPa因为2261.3Mpacr138Mpa，故满足稳定性条件。max组压1-1截面：塔体1-1处的最大组合轴向压应力11111114.5755.9670.53MPamax组压23由0.0940.00084A/esRis查相应的材料图（Q235-B）得B107.5MPa,t170Mpa则cr

KB129MPa，取cr129MPa。Kt204MPa因为，1170.53Mpacr129Mpa，故满足稳定性条件。max组压0-0截面塔体0-0处的最大组合轴向压应力00000013.8455.9569.79MPamax组压23因为， 00组压 69.79Mpamax

cr 129Mpa,故满足稳定性条件。14/24各危险截面强度与稳定校核汇总计算危险截面项目0-0 1-1 2-2塔体与裙座有效厚mm999截面以上操作质量79773.9 78361.3 75049.6m0ii/kg计算截面面积A56548.67Asm52767A56548.67sbAii/mm2截面的抗弯截面系数977Zsb2.810Zsm2.6310Z2.8210Zii/mm3最大弯矩Mmaxii/Nmm1.5071091.391091.29109最大允许轴向拉应力173.4tK /Mpa最大允许压应 KBt力 K

--138135.6135.6204计算压力引起的向拉应0 0 50力1/Mpa操作质量引起的向压应13.84 14.57 13.02力 2ii/Mpa15/24最大弯矩引起的轴向应55.95 55.96 48.28力3ii/Mpa最大组合轴向拉应力- - 85.26i imax/Mpa最大组合轴向压应力69.79 70.53 61.3i imax/Mpa强度 — — 满足强度条件强度与稳定校核稳定性 满足稳定性条件九、塔体水压试验和吊装时的应力校核1、筒体水压试验时各种载荷引起的应力(1)由试验压力和液柱静压力引起的环向应力P液柱静压力）(Diei)1.1250.3920009(t2ei29169.09MPapT1.25Pt1.250.91701.125MPa170(2)由试验压力引起的轴向拉应力 11PTDi1.125200062.5MPa4ei49(3)最大质量引起的轴向压应力 222m22g173569.69.812max30.13MPaDie3.142000916/24(4)由弯矩引起的轴向应力3220.3MW22Me0.31.291090.74561083Di2Sei2000216.32MPa4492、水压试验应力校核(1)筒体环向应力校核0.9s0.93450.85263.9MPa因为T181.9Mpa0.9s169.09Mpa，故满足要求。(2)最大组合轴向拉应力校核22222262.530.1316.3259.39MPamax组拉123许用应力：0.9S0.93450.85263.9MPa因为2259.39Mpa0.9263.9Mpa，故满足要求。max组拉s(3)最大组合轴向压应力校核222-22230.1316.3246.45MPamax组压23轴向许用压应力cr0.9s取其中较小值。KB0.9s0.9345310.5MPa,取cr127.2MPa。KB1.2106127.2MPa因为 2-2组压 35.57Mpamax

cr 127.2Mpa，故满足要求。十、基础环设计1、基础环尺寸取DobDis30020003002300mmDibDis30020003001700mm17/24b=140DIS=2000 l=160Dob=2300 Dib=17002、基础环的应力校核00m0gMmax取其中较大值，ZbAbbmaxMemmaxg0.3Mw00ZbAbZbDob4Dib43.1423004170049332Dob3223008.375610mmAbDob2Dib20.78523002170021884000mm24(1)Mmax00mog1.582109797739.812.304MpabmaxZbAb8.37561081884000(2)0.3MW00Memmaxg0.315.071080.7456108bmaxZbAb8.37561091782939.8118840000.99Mpa取bmax2.304MPa选用75号混凝土，其许用应力Ra3.5MPa，故满足要求。3、基础环厚度按有筋板时，计算基础环的厚度 Sb。b1DobDis2es12300200018141mm22设地脚螺栓直径为 M42，由表查得l=160mm，则b/l=140/160=0.88 ，由表查得18/24Mx0.1482bmaxb20.14822.30414126788.4NmmMy0.0848bmaxl20.08482.30416025001.7Nmm。取MsMx6788.4Nmm，基础环材料（20R）的许用应力133MPa，C=3mm,基础环厚度b6MsC66788.4320.50mm，取b22mm。133b十一、地脚螺栓计算1、地脚螺栓承受的最大拉应力Mw00Memming取其中较大值，ZbAbB0.25Mw00ME00Mem0gZbAb其中，mmin50745kgME008.01108NmmMw0015.07108Nmmm079773kgZb8.3756108mm3Ab1884000mm2(1)MW00MemmingBZbAb15.071080.7456108507459.818.37561081.62Mpa1884000(2)ME000.25MW00Mem0gBZbAb19/248.011080.2515.071080.7456108797739.818.375610818840001.08MPa取其中较大值， B 1.62Mpa2、地脚螺栓的螺纹小径因为 B 0，故此塔设备必须安装地脚螺栓。选取螺栓材料16MnR，螺栓个数为n=20， bt 163Mpa，C=3mm。4BAbC41.621884000d13.14337.53mmnbt16320取地脚螺栓为M42。由表8-12查得M42的螺纹小径d=37.219mm，故选用20个M42的地脚螺栓，满足要求。十二、筒体与封头联接法兰的选取1、根据筒体内径Di 2000mm，计算压力Pc 0.9Mpa，温度150℃，查表6-2，确定法兰结构为长颈对焊法兰，查附录12选取材料16Mn，公称压力PN=1.6Mpa。2、查相关手册得法兰基本数据：D=2215mm，D1=2155mm，D2=2110mm，D3=2090mm，D4=2087mm螺纹孔直径 d=33mm，法兰厚度 b=102mm，高颈尺寸 H=190mm，h=56mm，0 20mm, 1 22mm, 2 36mm，螺栓为M30 64。3、根据公称直径 DN=2000mm，查附录13-3，得螺柱材料为40MnVB，查表6-6得，螺母材料为 40Mn。4、压紧密封面选取平面密封面，选用缠绕型垫片， D=2089mm，20/24d=2039mm，垫片种类为石棉式石墨填充带。法兰图见附图塔的机械设计结果筒体n12mm，封头h12mm，裙座塔的名义壁厚es12mmm068902.29k