压力容器设计人员培训班讲稿-塔式容器2.ppt

2011年江苏省D类压力容器设计人员培训班 JB T4710 2005标准学习塔式容器江苏省化工机械研究所有限责任公司韩建新 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 塔式容器简介 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 4塔式容器设计的有关参考标准规范 1 GB50011 2001 建筑抗震设计规范 2 GB50009 2001 建筑结构载荷规范 3 SH3098 2000 石油化工塔器设计规范 4 SH3048 1999 石油化工钢制设备抗震设计规范 5 HG20652 1998 塔器设计技术规定 0 5关于JB T4710 2005 1 替代JB4710 2000 实际替代JB4710 1992 2 与GB150 1998相关内容一致 3 建筑结构载荷 抗震设计规范的更新 GB50011 2001 建筑抗震设计规范 GBJ11GB50009 2001 建筑结构载荷规范 GBJ174 计算方法 设计方法的进步 如横向风的风振计算等 一 总则 1 适用范围适用于 1 设计应力不大于35Mpa 2 H D 5 且高度H 10m 3 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 有牵引装置的塔式容器 由操作平台连成一体的排塔或者塔群 带有夹套的塔式容器不适用本标准 不适用范围 说明 塔式容器属于高耸结构 其承受的载荷除考虑设计压力与设计温度一起作为载荷条件外 还要考虑风载荷 地震载荷 重量载荷 偏心载荷等的作用 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 而低矮的塔器的壁厚大多数取决于压力载荷和最小壁厚 裙座自支承是指由裙座支承在基础上的独立塔器 塔与塔之间 塔与框架之间毫无关连 这也使计算自振特性时得以方便 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 D 4时 以剪切振动为主 4 H D 10时为剪 弯联合振动 10 H D时以弯曲振动为主 设计塔器时仅考虑弯曲振动 忽略了剪切振动 才使得自振周期和地震计算得以简化 这样给设计工作带来了极大方便 这样作的结果 使自振周期变小 地震影响系数变大 计算出的地震载荷与地震弯矩较考虑剪切变形时大 设计上略趋于保守 但还是可行的 2 塔式容器应考虑的载荷和工况 载荷 5 1 4 设计时应考虑的载荷a 内压或外压 b 液柱静压力 c 塔式容器自重 包括内件和填料等 以及正常操作条件下和试验状态下内装物料的重力载荷 d 附属设备及隔热材料 衬里 管道 扶梯 平台等的重力载荷 e 风载荷和地震载荷 需要时 还要考虑下列载荷 标准中未给出计算方法 f 连接管道和其他部件引起的作用力 g 温度梯度和热膨胀不同引起的作用力 h 包括压力剧烈波动的冲击载荷 I 冲击反力 如由流体冲击引起的反力 j 运输和吊装时的作用力 工况 对有不同工况的塔式容器 应按最苛刻工况设计 并在设计图样注明各工况的压力温度值 5 1 3 a 安装工况 b 水压试验工况 c 操作工况 d 检修工况 包括开停车时清吹扫等 载荷性质可以分为静载荷和动载荷 区别 a 载荷大小 方向甚至作用点等不随时间变化的是静载荷 随时间变化的是动载荷 b 动载荷使结构产生加速度 引起结构振动 振动过程中结构的位移和内力随时间变化 因此 求出来的解是随时间有关的系列 而静载荷的解是单一的 c 动载荷计算与结构自身的振动特征 如自振频率或周期 振型与阻尼 有关 而静载荷仅与载荷大小 约束条件有关 3 设计压力与设计温度 1 确定设计压力时 要考虑 装有超压泄放装置时 按GB150确定设计压力 对工作压力小于0 1MPa的内压塔式容器 设计压力取不小于0 1MPa 真空塔式容器按承受外压考虑 无安全控制装置时 设计压力取0 1MPa 有两个或两个以上压力室组成的塔式容器 应分别确定各室的设计压力 2 确定设计温度时 要考虑 设计温度不低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度 金属温度低于0 时 设计温度不高于元件金属可能达到的最低温度 塔式容器各部分在工作状态下的金属温度不同时 可分别设定每部分的设计温度 元件的金属温度可用传热计算求得 或在已使用的同类塔式容器上测定 或按内部介质温度确定 裙座壳的设计温度取使用地区月平均最低气温的最低值加20 4 腐蚀裕量与最小厚度 1 腐蚀裕量 A 容器的塔体 a 应根据预期寿命和介质 利用金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量 即C2 K BK 腐蚀率毫米 年B 构件设计寿命 一般为15 20年b 各元件受到腐蚀程度不同时 分别确定其腐蚀裕量 B 裙座和地脚螺栓碳钢 低合金钢制裙座 腐蚀裕量取C2 2mm 地脚螺栓 腐蚀裕量取C2 3mm C 塔器内件及附件的腐蚀裕量 参考 结构形式受力状态腐蚀裕量C2 1 不可拆卸或受力取塔壳腐蚀裕量不能从人孔取出不受力取塔壳腐蚀裕量的1 2 2 可拆卸并可受力取塔壳腐蚀裕量的1 4从人孔取出不受力0 最小厚度 A 容器壳体 成形后不包括腐蚀裕量 a 碳素钢 低合金钢制为2 1000的内直径 且不小于3毫米 b 高合金钢制为2 1000Di 不小于2mm B 裙座和地脚螺栓a 裙座壳名义厚度不应小于6mm b 裙座基础环不小于16mm SH3098 b 地脚螺栓直径 标准无限制 但工程上一般不小于M24 最大不超过M100 5 材料的选用与许用应力 1 材料的选用受压元件 选用按GB150规定 非受压元件 材料标准 焊接性能 裙座材料 按受压元件用钢要求选用 裙座壳体支撑塔体的整个重量 它的破坏直接影响塔器的正常使用 2 许用应力受压元件材料和螺栓材料按GB150 地脚螺栓 Q235147MPa Q345170MPa安全系数 碳钢ns 1 6 低合金钢ns 2 0 基础环 盖板和筋板 碳钢147MPa 低合金钢170MPa 3 圆筒B值的计算 1 计算系数A 0 094 e Di2 按GB150外压圆筒算图 查B值 或按B 2AEt 3计算 4 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 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 许用应力值可以提高1 2倍 即许用应力值乘系数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 2 筒体与裙座的连接型式 对接 搭接 1 对接 要求 裙座壳体外径宜与塔体封头外径相等 全焊透连续焊 焊接结构及尺寸见图 SH3098中 下列情况应开坡口 1 可能引起横向振动的高塔 H D 20 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 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 搭接在筒体上时 环焊缝需磨平 且100 无损检测 搭接接头距环焊缝不少于1 7倍筒体壁厚 角焊缝应填满 3 封头拼接焊缝处的缺口 当塔壳封头由多块钢板拼接制成时 拼接焊缝处的裙座壳应开缺口 如图所示 尺寸见表7 3 按封头厚度R 35 70mm 厚度大于38mm R 2倍封头厚度 4 隔气圈 当塔式容器下封头的设计温度大于或等于400 时 应设置隔气圈 隔气圈结构见图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 隔气圈作用 空气隔离 缓解了焊缝处温差应力过高 或温差变化过大的情况 避免裙座与塔壳的连接焊缝处产生较大的温差应力 造成破坏 5 裙座上部排气孔 排气管 裙座上部应均匀设置排气孔 当裙座与封头拼接焊缝处有缺口时 可不设 裙座有保温或防火层时 应设置排气管 规格 数量及尺寸见表7 4 表7 5 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螺栓的情况 尺寸可参照标准释义表3 2 2 结构2 中央地脚螺栓座结构 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 尺寸可参照标准释义表3 3 7 壳体 裙座上要考虑的其他结构 检查孔 分圆形和长圆形两种 7 7 引出孔 引出管 加强管及支承板 7 6 排净孔 保温支撑圈 裙座过渡段 裙座与封头连接部分材料与封头相同 封头材料为低温用钢 不锈钢 铬钼钢以及高温 低温时 可参见有关标准 8 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 T21639 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 吊耳的结构 位置及数量应按吊装方式和塔式容器的质量确定 7 9 2 目的 整体吊装 吊耳选用的标准 HGT21574 2008 计算 吊耳计算 壳体局部应力计算等 三 计算 1 计算内容 1 塔式容器的计算 自振周期 地震载荷 水平地震力和垂直地震力 风载荷 顺风向风振和横风向风振 塔的挠度计算等四部分 自振周期用作地震载荷计算 地震载荷 风载荷用作截面弯矩计算 2 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 除JB T4710中的计算外 还需要 按GB150进行的筒体 封头 开孔补强计算等 局部应力计算 填料支撑粱 栅板等强度计算等 2 计算时所需准备计算条件 1 工艺必要的给定条件2 塔设备设置地区的自然条件 地震设防烈度 只考虑7 9度 设计地震加速度 对应0 1 0 4g 设计地震分组 分一 二 三组 可按GB50011 2001 建筑抗震设计规范 场地土类别 分 四类 基本风压值 可按GB50009 2001 建筑结构载荷规范 基本风压值取所在地10m高度50年一遇10min最大平均风速为基本风速 基本风压值计算公式 地面粗糙度 分A B C D四类 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 计算需要的质量 最小 操作及最大重量 5 确定危险截面位置 一般来说 危险截面为 a 塔器裙座底截面 b 裙座上开设人孔 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 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 地震载荷计算中分段与质量的不均匀变化有关 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 壁厚相等的圆筒 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 2 自振周期 1 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 2 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 c 一般仅限于基本振型 原因 二 三振型函数难以确定 3 高振型计算 标准规定H D 15 且H 20m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 6T1T3 1 18T1 4 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 单自由度体系的自振周期m 质点的质量 y 顶端作用单位力时的挠度 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 8 5 自振周期值随设备的质量和高度增加而增大 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 其基本自振周期式 其中截面惯性矩 圆筒段圆锥段 3 地震载荷计算 1 水平地震力计算 计算公式 8 6 1为地震影响系数 设计时可利用反应谱曲线查取 1k振型参与系数 mk质点质量 g重力加速度 系数 衰减系数斜率调整系数阻尼调整系数 地震载荷设计参数 1 地震设防烈度 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 目前为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 2 设计地震加速度 地震时地面运动的加速度 3 设计地震分组 表征地震震级及震中距影响与场地特征周期与峰值加速度有关的参量 4 场地土类别 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 应能够控制其变形 避免倒塌 2 垂直地震力计算 任意质量处的垂直地震力 任意计算截面的垂直地震力 在设防烈度为八度和九度地区应考虑垂直地震力作用 2 垂直地震力计算 塔式容器底截面处总的垂直地震力垂直地震影响系数塔式容器当量质量 3 地震弯矩 任意计算截面基本振型的地震弯矩 高振型塔式容器任意计算截面的地震组合弯矩 H D 15 且高度大于等于20m时 3 风载荷计算 1 顺风向水平风力的计算计算公式 8 17 体型系数风作用在物体表面上所引起的实际压力与风速度压的比值对圆截面K1 0 7 平面K1 1 4 风振系数 基本风压值风压 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 再考虑空气密度按公式计算得出 标准规定 风压高度变化系数任意高度处风压与10米高度处的风压之比 与高度和地面粗糙度有关 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 与风振有关的系数顺向风水平风力的计算公式 其中第一项为平均风压的静力作用 第二项为脉动风压的动力作用 两项合并后 令形成 8 17 脉动增大系数 脉动风作用产生的振幅与脉动载荷以静力方式作用产生位移之比 表8 4 式中 脉动影响系数 反映脉动风压沿高度变化及其空间相关性系数 与高度和地面粗糙度类别有关 振型系数 与计算截面距地面高度和塔总高有关的系数 计算段有效直径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 取大值 2 横风向风振计算 附录A 当H D 15且H 30m时 还应计算横风向风振 8 5 3 横风向风振产生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 计算步骤1 计算临界风速 塔共振时的风速 计算塔顶设计风速2 判别是否产生共振v vc1不需考虑塔器共振vc1 v vc2必须考虑第一振型振动v vc2考虑第一 二振型振动 3 计算塔体共振时横风向塔顶振幅和塔体弯矩 3 风弯矩 顺风向水平风力产生的计算截面弯矩 塔体共振时组合风弯矩 A 6 取大值 4 最大弯矩计算 四 应力校核 设计 1 圆筒形塔体轴向应力校核 轴向应力由内压或外压引起由重力及垂直地震力引起由弯矩引起的轴向应力 最大组合拉应力内压容器外压容器 最大组合压应力内压容器外压容器许用轴向压应力注 1 计算压力取绝对值 2 垂直地震力仅在最大弯矩为地震弯矩计入 3 圆锥形筒体计算与圆筒相似 考虑cos 2 压力试验时的应力校核 圆筒应力由试验压力引起由重力引起由弯矩引起 轴向拉应力液压试验时气压试验时 轴向压应力许用轴向压应力 3 裙座壳轴向应力校核 1 裙座壳底截面的应力操作工况 液压试验 2 裙座壳检查孔截面操作工况 液压试验工况 4 地脚螺栓座应力校核 1 计算元件基础环 无筋板 有筋板 筋板盖板 分块 环形 地脚螺栓 2 基础板的计算由重力和弯矩共同引起的压应力 承压面积 厚度 混凝土的压应力 8 12 1 3 地脚螺栓地脚螺栓承受的最大拉应力拉应力小于等于0 地脚螺栓起固定作用 拉应力大于0 应校核数量 根径 4 筋板按压杆计算 5 盖板螺栓力作用下的受弯曲载荷的板 5 裙座与塔壳焊缝的应力校核 搭接焊缝的剪应力 对接焊缝的拉应力6 塔体连接法兰的当量压力