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过程设备综合设计计算说明书专业班级 装控 姓 名 学 号 时 间 2012-3-14 目录一、设计任务21. 结构设计任务22. 设计计算内容1二、设计条件1三、设备强度及稳定性校核计算11. 选材说明12. 主要受压元件壁厚计算13. 原油分馏塔质量载荷的计算24. 分段相关参数说明45. 风载荷与风弯矩的计算56. 地震弯矩计算107. 各种载荷引起的轴向应力的计算128. 原油分馏塔塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核139. 塔体水压试验和吊装时的应力校核1610. 基础环设计1711. 地脚螺栓计算1812. 裙座与塔壳连接焊缝验算18四、典型零部件计算19五、结论21六、参考文献21一、设计任务1. 结构设计任务完成各板式塔的总体结构设计，绘图工作量折合A1图共计4张左右，具体包括以下内容： 各塔总图1张A0或A0加长； 各塔塔盘装配及零部件图2张A1。2. 设计计算内容完成各板式塔设计计算说明书，主要包括各塔主要受压元件的壁厚计算及相应的强度校核、稳定性校核等内容。二、设计条件1. 塔体内径为1000mm、塔高为34.543m；2. 设计压力为3.08MPa、设计温度为86，壳体腐蚀余量为3mm，裙座厚度附加量为2mm；3. 设置地区：山东省东营市，基本风压值q0=480Pa，地震设防烈度8度，设计地震分组为第二组，场地土类别III类，地面粗糙度为B类；4. 塔内装有N=45层浮阀塔盘；开有人孔11个，在人孔处安装半圆形平台11个，包角180，平台宽度B=900 mm，高度为1200 mm；5. 塔外保温层厚度为s=140 mm，保温层密度2=350 kg/m3；裙座有保温层厚度为80mm，平均直径为1000mm。三、设备强度及稳定性校核计算1. 选材说明脱乙烷塔是在脱出乙烷的装置，原料从塔的上部进入，通过层层塔板的传热传质，实现脱除乙烷的任务，塔内介质腐蚀性不是很大，操作温度在50100摄氏度之间，操作压力在3MPa左右，根据设计温度、设计压力、介质特性和操作特点，在加上多年的经验选择Q345R材料。2. 主要受压元件壁厚计算2.1筒体壁厚的计算已知筒体的设计压力为pc=3.08MPa，腐蚀裕量为C2=3 mm，焊缝接头系数=0.85，筒体的内径为Di假设材料的许用应力t=189MPa（厚度为616mm时）。筒体的计算按照下式计算设计厚度d=+C2=9.89+3=12.89 mm。对Q345R，钢板负偏差C1=0.3 mm，因而可取名义厚度n=18 mm。有效厚度e=n- C1- C2=18-3-0.3=14.7 mm。2.2封头的壁厚的计算已知封头的直径为Di=1000 mm,而封头的径高比Di/2hi=1000/2/248=2,查表得椭圆封头的增强系数K=1.00，其余数据与上面的相同，计算按照下式计算设计厚度d=+C2=9.84+3=12.84 mm。对Q345R，钢板负偏差C1=0.3 mm，因而可取名义厚度n=20 mm。有效厚度e=n- C1- C2=20-3-0.3=16.7 mm。2.3裙座的厚度计算根据G150，裙座的厚度不应小于6 mm，按照经验值选取裙座的厚度为16 mm。3. 原油分馏塔质量载荷的计算圆筒、封头和裙座的质量附属件质量 内构件的质量 保温层质量 平台、扶梯的质量物料质量 水压试验时质量 塔器操作质量 塔器水压试验时的最大质量 塔器的最小质量【注】塔内构件浮阀塔盘的质量每m2质量为75 kg计算；平台质量按每m2为150 kg计算；笼式扶梯质量按每m为40 kg计算。4. 分段相关参数说明图4-1 脱乙烷塔的高度为34.543 m，这是一个高度超过10 m的塔，根据分段原则，裙座部分已每个开孔截面为分界面，筒体每10 m分为一计算段，余下的最后一段高度取实际高度，所以该塔分成6段（具体分段情况见图4-1），其中裙座算做第一组，从下到上分别为1、2、3、4、5、6段，每一段的高度分别为1 m、2.6 m、2.9 m、10 m、10 m、8.043 m。表1123456m01+ma564.871468.671638.135648.725648.724543.27m02000944.98944.98760.05m038382178.812430.211810.311810.311456.03m04401041162010.382010.381616.95m050001008.251008.25810.93mw0007853.977853.976316.95m01442.873751.484184.3411422.6411422.649187.23mmax1442.873751.484184.3418268.3718268.3714693.25mmin1442.873751.484184.349658.419658.417768.255. 风载荷与风弯矩的计算5.1顺风向载荷的计算（1）每一段以设备顶端的风压作为整个塔设备的均布风压，查表得每段顶部的风压高度变化系数fi分别为1.00、1.00、1.00、1.173、1.3605、1.4836，则每段的风压按照下式计算式中 qi第i段的风压，N/m2。 q0当地的基本风压，此时取值为480Pa。按照式（5-1）计算的每段的风压分别为q1=480, q2=480，q3=480，q4=563.04, q5=653.04, q6=712.13。对细长的圆柱形塔体结构，体型系数K1=0.7。.风振系数K2i，对于塔高H20 m时，则K2i按下式计算式中 脉动增大系数；vi第i段的脉动影响系数;第i段的振型系数。（2）脉动增大系数的计算求解等直径、等厚度的相对应振型,H=34.543 m，弹性模量E=1.98105MPa,则第一固有振型为 1.908s运用线性插值查表得塔的脉动增大系数=2.8435。2.7515脉动影响系数v1=0.72, v2=0.72, v3=0.72, v4=0.8125, v5=0.883, v6=0.8745。振型系数按照线性插值查表得z1=0.02，z2=0.0217，z3=0.1035，z4=0.3154，z5=0.7243，z6=1。各段的风振系数代入式（5-2）得：K21=1.041，K22=1.044， K23=1.2119， K24=1.5853， K25=2.2254， K26=2.5977。（3）塔设备迎风面的有效直径Dei：迎风面积按照保守估计，假设笼式扶梯与塔顶管线布置成180，此时迎风面积最大，则迎风面积为： 式中 Doi塔设备各计算段的外径，m；si塔设备各计算段保温层的厚度，m；d0塔顶管线外径，m；pi管线保温层的厚度，m；K3笼式扶梯的当量宽度，当无确定数据，可取K3=0.40 m；K4操作平台的当量宽度，m（4）风力载荷计算风力载荷按照下式计算，式中 Pi塔设备中第i段的水平风力，N;各段所受的水平风力分别为：P1=869.15N, P2=2267.34N, P3=2934.47N, P4=15526.34N， P5=25280.11N, P3=25881.47N。5.2风弯矩的计算塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在第i段塔底截面I-I处的风弯矩：（1）塔底0-0截面弯矩为最大值：（2）塔截面1-1的弯矩（3）塔截面2-2的弯矩（4）塔截面3-3的弯矩5.3横向风载荷计算（1）临界风速的计算临界风速按照下式计算：（2）设计风速的计算（3）横向塔顶振幅共振时塔顶振幅按下式计算：当雷诺数得CL=0.2，当时（查表A-1）对于变截面塔其中第一振型的横风向塔顶振幅YT1(第一振型时取阻尼比0.01)为： 5.4塔体i-i截面处第1阶振型的横风向弯矩按下式计算：（1）0-0截面（2）1-1截面（3）2-2截面（4）3-3截面5.5塔体顺风向弯矩表2塔段号123456mk kg1442.93751.54184.311422.611422.69187.2hk mm50023005050115002150030521.51.6121.6121.6121.6121.6121.612vi0.720.720.720.76550.80950.8336ei0.020.02170.10350.31540.72431fi1111.1731.36051.4836k2i1.0231.0251.1201.3321.6951.906li mm12.62.910108.043Dei mm2.4852.4852.4852.4852.4852.485q0 N/m2q0=1/2vi2=5.658Pi6.64717.34022.442118.740193.334197.933塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在第i段塔底截面I-I处的顺风弯矩：（1）塔底0-0截面弯矩为最大值： （2）塔截面1-1的弯矩（3）塔截面2-2的弯矩（4）塔截面3-3的弯矩5.6塔体共振时组合风弯矩（1）0-0截面（2）1-1截面（3）2-2截面（4）截面6. 地震弯矩计算6.1地震基本弯矩将塔沿高度方向分为8段，视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地震弯矩于下表：表3塔段号123456mi，kg1442.873751.484184.3411422.6411422.649187.23hi，mm50023005050115002150030521.5hi1.51.1181041.1031053.5891051.2331063.1531065.332106mi hi1.51.61321074.1381081.5021091.40910103.601010104.8991010mi hi31.803610114.564410135.38910141.7372410161.1352210172.612171017A/BA/B=2.56110-7（A=，B=）0.002860.028250.091920.315880.807471.3657721F1k，N2.568965.897239.1322243.2935734.5197801.286mkhk7.2141058.6281062.1131071.3141082.4561082.804108vmaxvmax=0.65max=0.650.16=0.104mep，kgmep=0.75 m0=0.7541411.9=31058.93Fv0-0，NFv0-0=vmaxmepg=0.10431058.939.8=31655.26Fvi，N33.205397.092972.486045.40511302.2812904.81Fvi-i，N31655.331622.0631224.9730252.49基本震形地震弯矩：（1）0-0截面地震弯矩：（2）1-1截面地震弯矩：（3）2-2截面地震弯矩：（4）3-3截面地震弯矩：当塔H/D15或塔设备高度大于等于20m时，还要考虑高振型的影响。这时应根据前三振型，即第一、二、三振型，分别计算其水平地震力及地震弯矩。然后根据振型组合的方法确定作用于k质点处的最大的地震力及地震弯矩。这样的计算方法显然很复杂。一种简化的近似算法是按第一振型的计算结果估算地震弯矩的，即 6.2地震弯矩为：（1）0-0截面最大地震弯矩：（2）1-1截面地震弯矩：（3）2-2截面地震弯矩：（4）3-3截面地震弯矩： 7. 各种载荷引起的轴向应力的计算7.1各种计算截面的最大弯矩：取其中较大值（1）塔底0-0截面因故。（2）塔底1-1截面因故。（3）塔底2-2截面因故。（4）塔底3-3截面因故。表4计算截面3-3截面塔壳有效厚度ei mm14.7计算截面以上操作质量m0 kg32032.51计算截面面积A=Diei mm246181.4计算抗弯截面模量WI=Di2ei/4 mm31.1545107计算截面最大弯Mmax Nmm1.0785109许用轴向压缩应力 MPa许用轴向压缩应力t=1.2t MPa1.21850.85=188.7操作压力引起的轴向应力 MPa52.38重量引起的轴向应力 MPa6.798Mmax引起的轴向应力 MPa93.42组合压应力e=2+3cr MPa100.215192组合拉应力t=1-2+3Kt MPa139.002188.73-3截面：，查表GB150得B=160MPa。8. 原油分馏塔塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核8.1裙座验算：（1） 塔底0-0截面 裙座按圆锥形裙座进行验算。0-0截面：，查表GB150得B=150MPa。圆锥半顶角故 取179.58MPa， 取149.65MPa因为 所以 （2）1-1截面（人口所在截面）1-1截面：，查表GB150得B=150MPa。人孔lm=230 mm；bm=450；m=16 mm；Dim=1676.92 mm；m01-1=39968.33 kg，； （3）2-2截面（出料口出口所在截面）1-1截面：，查表GB150得B=150MPa。人孔lm=270 mm；bm=460；m=16 mm；Dim=1356.9 mm；m02-2=36216.85 kg；。 9. 塔体水压试验和吊装时的应力校核9.1液压试验时引起的应力校核（校核3-3截面）由试验压力引起的周向压力： 由试验压力引起的轴向应力1：液压试验时重力引起的轴向应力2：由风弯矩引起的轴向应力3：校核： 10. 基础环设计10.1基础环设计基础环的外径：Dob=1950 mm；基础环的内径： Dib=1390 mm。 取bamx=3.113MPa。因b/l=0.5(1950-1832)/120=0.4917,查表8-7得：Cx=-0.3188, Cy=0.0290,因为 ，所以因此基础环厚度为：，取。11. 地脚螺栓计算11.1地脚螺栓厚度计算地脚螺栓材料选择Q345。地脚螺栓承受的最大拉应力B按下式计算：56取B=2.594MPa。地脚螺栓的螺纹小径为：取地脚螺栓为M40,40个。12. 裙座与塔壳连接焊缝验算12.1裙座与塔壳连接焊缝验算（对接焊缝）； 验算合格。四、典型零部件计算1.人孔的补强校核：（1）补强的计算方法判别开孔直径 d=di+2C=450+22=454 mm本筒体开孔直径d=454 mmDi/2=500 mm,满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔面积补强计算。（2）开孔所需补强面积1）筒体的计算厚度 =9.89 mm2）开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数fr，开孔的筒节的材料为Q345R,与筒体的材料相同，所以fr=1，筒节的有效厚度为et=nt-C=14-2=12 mm。开孔所需补强面积按下式计算：（3）有效补强范围1）有效宽度B 按下式确定取大值故B=908 mm。2）有效高度 外侧有效高度h1按下式确定取小值故h1=79.72 mm。内侧有效高度h2按下式确定取小值取h2=0。（4）有效补强面积1）筒体的开孔有效厚度 e=n-C=18-3.3=14.7 mm筒体多余金属面积A1按下式计算 2）接管多余金属面积接管计算厚度接管多余金属面积A2按下式计算3）接管区焊缝面积（焊脚取6.0 mm）4）有效补强面积（5）所需另行补强圈补强拟采用补强圈补强。（6）补强圈设计根据接管公称直径DN450选补强圈，参照补强圈标准JB/T 4736-2002取补强圈外径D=760 mm,内径d=d0+（612）=450+142+8=486 mm。补强圈厚度为考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为6 mm，但为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取为筒体的厚度，即=18 mm。五、结论1.筒体的名义厚度为18 mm，封头的名义厚度为20 mm，裙座根据经验取16 mm。2.塔器操作质量 m0=41411.9kg；塔器的最大质量 mmax=60609.38kg；塔器水压试验时的最小质量 mm