计算说明书-09-5终

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 210一、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1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 m89.0.38512.2cti p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 m84.90.358.0125.02cti pK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 kg9.15608.7543.036.14320 m附属件质量 4720ma2内构件的质量 kg72.65041202m保温层质量 350.4.3.36.8.42203 051kg857.平台、扶梯的质量 360185036.19.2036.14.3402mkg7.589.72.18物料质量 kg4.28014205水压试验时质量 kg9.2041563.wm塔器操作质量 eam05403201475.3902.287.968.127.659. kg4塔器水压试验时的最大质量 eawmmm043021ax475.3902.270.5896.127.659. kg8塔器的最小质量 eamm0430201min. 475.3902.586.127.65956kg.34【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。34. 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 11 2 3 4 5 6m01+ma 564.87 1468.67 1638.13 5648.72 5648.72 4543.27m02 0 0 0 944.98 944.98 760.054m03 838 2178.81 2430.21 1810.31 1810.31 1456.03m04 40 104 116 2010.38 2010.38 1616.95m05 0 0 0 1008.25 1008.25 810.93mw 0 0 0 7853.97 7853.97 6316.95m0 1442.87 3751.48 4184.34 11422.64 11422.64 9187.23mmax 1442.87 3751.48 4184.34 18268.37 18268.37 14693.25mmin 1442.87 3751.48 4184.34 9658.41 9658.41 7768.255. 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 0iiqf式中 qi第 i 段的风压，N/m 2。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，q 3=480，q 4=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izi2fv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s187.241098.35.53903.90 5301 ieDmT1.908s 运用线性插值查表得塔的脉动增大系数 =2.8435。2.75155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：K 21=1.041，K 22=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：pi043sioiei 22dDm485.21.0891.06.1 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， ei0i21i DlqfKP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： mN10532.2 9621610 llplplMW（2）塔截面 1-1 的弯矩6mN1046.229626321 llplplMW（3）塔截面 2-2 的弯矩 7.96364332 llllW（4）塔截面 3-3 的弯矩 mN1085.22 96465443 llplplMW5.3 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： s/08.312.087.1360-t1ac STDv（2）设计风速的计算 s/m76.4.5.265.0t1cqf（3）横向塔顶振幅共振时塔顶振幅按下式计算：当雷诺数 得6a 105.3280167.39Re ）（vDCL=0.2，当 时 （查表 A-1）.08./1Hc2c1 .1对于变截面塔 4921i2i14ii4m03.II其中 41022ifei21 7.0844DI 49323i2 m5.6118 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：7EIHvDCY142caLT1.9m0713.1032.98.04. 56.45)36(0 995.4 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 611T210cakkhmYMmN10954.20.5073.8.2 78（2）1-1 截面 611T11ca )(kkkhmYMmN0827.085.4073.8.2 （3）2-2 截面 611T12ca )(kkkhmYM mN0496.203.407.8. 782 （4）3-3 截面 611T213ca )5(kkkhmYM mN028.07.30.87.2 785.5 塔体顺风向弯矩表 2塔段号 1 2 3 4 5 6mk kg 1442.9 3751.5 4184.3 11422.6 11422.6 9187.28hk mm 500 2300 5050 11500 21500 30521.5 1.612 1.612 1.612 1.612 1.612 1.612vi 0.72 0.72 0.72 0.7655 0.8095 0.8336 ei 0.02 0.0217 0.1035 0.3154 0.7243 1fi 1 1 1 1.173 1.3605 1.4836k2i 1.023 1.025 1.120 1.332 1.695 1.906li mm 1 2.6 2.9 10 10 8.043Dei mm 2.485 2.485 2.485 2.485 2.485 2.485q0 N/m2 q0=1/2 vi2=5.658Pi 6.647 17.340 22.442 118.740 193.334 197.933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：mN1072.26216110ca llplplM（2）塔截面 1-1 的弯矩 .276263221ca llll（3）塔截面 2-2 的弯矩 mN1076.926364332ca llplplM（4）塔截面 3-3 的弯矩 248.6465443ca llll5.6 塔体共振时组合风弯矩（1）0-0 截面 mN10532.1078.31052. 9cw0ca9w0 Me（2）1-1 截面 4646. 9721cw21ca9w1 e（3）2-2 截面9mN10276.1068.2107. 9cw2ca9w2 Me（4）截面 85.3.85. 972cw2ca9w2 Me6. 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 1 2 3 4 5 6mi，kg 1442.87 3751.48 4184.34 11422.64 11422.64 9187.23hi，mm 500 2300 5050 11500 21500 30521.5hi1.5 1.1181041.1031053.5891051.2331063.1531065.332106mi hi1.5 1.61321074.1381081.5021091.40910103.601010104.8991010mi hi3 1.803610114.564410135.38910141.7372410161.1352210172.612171017A/BA/B=2.56110-7（A= ，1615.2iihmB= ）1761309.iiBAhk5.10.00286 0.02825 0.09192 0.31588 0.80747 1.36577 973.01.5.095.0910 2 519.0.716.055.012 1 634.8.293.max21 TgF1k，N 2.5689 65.897 239.132 2243.293 5734.519 7801.286mkhk 7.2141058.6281062.1131071.3141082.4561082.804108 vmax vmax=0.65 max=0.650.16=0.104mep，kg mep=0.75 m0=0.7541411.9=31058.93Fv0-0，N Fv0-0= vmaxmepg=0.10431058.939.8=31655.26Fvi，N 33.205 397.092 972.48 6045.405 11302.28 12904.81Fvi-i，N 31655.3 31622.06 31224.97 30252.49基本震形地震弯矩：（1）0-0 截面地震弯矩： mN1086.3861k0 EIhFM（2）1-1 截面地震弯矩： 7245.0862k162k11 EI hFM（3）2-2 截面地震弯矩： mN103.6863k163k12 EI F（4）3-3 截面地震弯矩： 84.250864k164k13 EI hhFM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 IEIM25.1E6.2 地震弯矩为：11（1）0-0 截面最大地震弯矩： mN10857.425. 861k0 EhFM（2）1-1 截面地震弯矩： mN1065.4102 86k62k11 E hF（3）2-2 截面地震弯矩： 3.25.5. 863k163k12 EhFM（4）3-3 截面地震弯矩：mN1058.902.2. 64k164k13 E hF7. 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WEM25.0max（1）塔底 0-0 截面因 mN10683190camaxWE故 。N532.190axM（2）塔底 1-1 截面因 N1036.825.04189camaxWEM故 。N46.19ax（3）塔底 2-2 截面12因 mN10325.7.061892camaxWEM故 。N276.19axM（4）塔底 3-3 截面因 N102543.6.0781893camaxWE故 。N0785.193ax表 4计算截面 3-3 截面塔壳有效厚度 ei mm 14.7计算截面以上操作质量 m0 kg 32032.51计算截面面积 A= Di ei mm2 46181.4计算抗弯截面模量 WI= Di2 ei/4 mm3 1.1545107计算截面最大弯 Mmax Nmm 1.0785109许用轴向压缩应力 MPatcrKB2185.60许用轴向压缩应力 t=1.2 t MPa 1.21850.85=188.7操作压力引起的轴向应力 MPaeic14Dp52.38重量引起的轴向应力 MPaAFgmv026.798Mmax 引起的轴向应力 MPaIWMax3 93.42组合压应力 e= 2+ 3 cr MPa 100.215192组合拉应力 t= 1- 2+ 3 K t MPa 139.002188.73-3 截面： ，查表 GB15002763.51409.4.0ieRA得 B=160MPa。138. 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0263.51409.4.0ieRAB=150MPa。圆锥半顶角 7.29360.arctn故 取 179.58MPa，1852. 5817.oscostSK取 149.65MPa.923.09. 6.4ceLRB因为 37es2i0 m105.341804DW24esisb 9.7IA所以 479sb0max 10.8.9105632co1cos1gMMPa84 479sbmax0e 36.2.7c3.cs AWa651920（2）1-1 截面（人口所在截面）1-1 截面： ，查表 GB150 得032.4.094.ieRB=150MPa。人孔 lm=230 mm；b m=450； m=16 mm；D im=1676.92 mm；m 01-141=39968.33 kg， ；mN1046.91maxMkg79.5161axesesism2-AbDA 2m.34204659.17 2m2imes2lW 3224.501649.167304mesimes2ism2-WDb 372 m1084.3.5201649.1674509.1674 479sm10sax 98.3.2cocoAgWMMPa517 479sm1axsme1 1035.8.6104.6.6c3.0cs a92（3）2-2 截面（出料口出口所在截面）1-1 截面： ，查表 GB150 得0632.5104.9.0ieRAB=150MPa。人孔 lm=270 mm；b m=460； m=16 mm；D im=1356.9 mm；m 02-2=36216.85 kg； ； 。N1032.92axMkg31.542axesesis-ADA 258.6027649.156152m2imes2bDlW 322 m61.485609.135704mesimes2ism2-WDb 372 10.26.485319.3564019.3564 479sm0sax .8.910.2.7coco1AgWMMPa5816 479sm1axsme1 1035.6.1.3.c3.0cs a649279. 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 ：eieii2DpT液 柱 静 压 力 MPa78.157.14.058.3由试验压力引起的轴向应力 1： a38.527.40834ei1DpT液压试验时重力引起的轴向应 力 2：16MPa20.6714089.25ei32 DgmT由风弯矩引起的轴向应力 3：Pa02.87.1405.3.0429ei2 MW校核： MPa6.2485.03902.74Pa13.8.5.9.8.15eL21creLRB10. 基础环设计10.1 基础环设计基础环的外径：D ob=1950 mm；基础环的内径： Dib=1390 mm。3844ob4b m10.519032532DW262ib 7.A 25.1047.1893604.53213.0 840.5689bmaxbe890maxbax AgWM取 bamx=3.113MPa。因 b/l=0.5(1950-1832)/120=0.4917,查表 8-7 得：C x=-0.3188, Cy=0.0290, 63.457.10959318.0bmaxbmax2x M179.126.471209. bmaxbmaxy M因为 ，所以xN35s M因此基础环厚度 为：Pa3b，取 。4.1/6.45/6sb 30b11. 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：56 863.11047.2.3589104.582. 94.27.3604.1526bvbe00 689mineAFgWMEB取 B=2.594MPa。地脚螺栓的螺纹小径 为：MPa170bt1d m79.3224.59.462btB1 CnAd取地脚螺栓为 M40,40 个。1812. 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）；mN10785.93-maxj-ax Mkg51.320-j-0MPa2.386410twesiit KD，；140953210.429esitj-es2itj-max gPa.69tw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： m06.4912894512 retfdA（3）有效补强范围1）有效宽度 B 按下式确定 m5184218452m90ntdB取大值故 B=908 mm。192）有效高度 外侧有效高度 h1 按下式确定取小值m23570.941bHhdnt故 h1=79.72 mm。内侧有效高度 h2 按下式确定取小值实 际 内 伸 高 度 ）(0.9142dnt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rete fdB122m74.8309.745908）（2）接管多余金属面积接管计算厚度 5512.2ctni pdt接管多余金属面积 A2 按下式计算retrtet fChfhA2122m7.1030145.7.93）接管区焊缝面积（焊脚取 6.0 mm） 236.2A4）有效补强面积 2321 51.347.104.8e（5）所需另行补强圈补强 23214 m.06.26.9AA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