塔设备机械计算.doc

第四章 塔设备机械设计塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。机械设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行机构设计。4.1 设计条件由塔设备工艺设计设计结果，并查相关资料1,9知设计条件如下表。表4-1 设计条件表已知设计条件塔体内径Di2000mm塔体高度H28000mm设计压力P1.0MPa设计温度t200塔 体材料16MnR许用应力170MPa许用应力170MPa设计温度下弹性模量E1.9105MPa常温屈服点345MPa厚度附加量C2mm塔体焊接接头系数0.85介质密度783.92kg/m3塔盘数N40每块塔盘存留介质层高度hW80mm基本风压值q0400N/m2地震防烈度8度场地土类别类偏心质量me4000kg塔外保温层厚度100mm保温材料密度2300kg/m3裙 座材料Q235-A许用应力 113MPa常温屈服点s235MPa厚度附加量Cs2mm人孔、平台数6地 脚 螺 栓材料Q235-A许用应力bt140MPa腐蚀余量C23个数n324.2 设计计算4.2.1 全塔计算的分段图4-1 全塔分段示意图塔的计算截面应包括所有危险截面，将全塔分成5段，其计算截面分别为：0-0、1-1、2-2、3-3、4-4。分段示意图如图4-1。4.2.2 塔体和封头厚度 塔内液柱高度：（m） 液柱静压力：（MPa） 计算压力：MPa（液柱压力可忽略） 圆筒计算厚度：（mm） 圆筒设计厚度：（mm） 圆筒名义厚度：（mm） 圆筒有效厚度：（mm）封头计算厚度：（mm）封头设计厚度：（mm）封头名义厚度：（mm） 封头有效厚度：（mm）4.2.3 塔设备质量载荷1. 塔体质量查资料1,8得内径为2000mm，厚度为10mm时，单位筒体质量为495kg/m，单个封头质量为364kg。通体质量：（kg）封头质量：（kg）裙座质量：（kg）塔体质量：（kg）0-1段：（kg）1-2段：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）2. 塔段内件质量查表5-4得8,筛板塔塔盘质量，则塔体内件质量：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）3. 保温层质量1-2段：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）4. 平台和扶梯质量查表5-4得8,平台质量 笼式扶梯质量平台数 笼式扶梯总高度0-1段：（kg）1-2段：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）5. 操作时塔内物料质量 1-2段：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）6. 人孔等附件的质量 （kg） 0-1段：（kg） 1-2段：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）7. 充液质量1-2段：（kg）2-3段：（kg）3-4段：（kg）4-顶段：（kg）8. 偏心质量已知再沸器：1-2段：（kg）2-3段：（kg）9. 操作质量 同理可得各段的操作质量如下：（kg），（kg），（kg）（kg），（kg）10. 最小质量 同理可得各段的最小质量如下：（kg），（kg），（kg）（kg），（kg）11. 最大质量同理可得各段的最小质量如下：（kg），（kg），（kg）（kg），（kg）综上可知塔的各种质量载荷计算结果如表4-2所示。表4-2 质量载荷计算结果质量/kg0-11-22-33-44-顶m0114340.54951354247549505066.5m028164001020.53877.93265.6m035116.50111.9998.519972009.1m045033.74080861.31722.62329.8m05132270919.55415.33741.53150.7ma3585.1123.8338.5618.81237.51266.6me400001400260000mw79275.801172.9157003140031002.9m053466.8658.84203.913989.417526.517088.3mmin33708.6658.83284.47757.710682.6811325.12mmax119515.6658.84457.32427454.2.4 自振周期式中H 塔设备高度，mm m0 操作质量，kg E 设计温度下弹性模量，MPa Di 塔体内径，mm 塔体有效厚度，mm4.2.10 地震载荷与地震弯矩1. 水平地震力式中CZ 综合影响系数，取CZ=0.5； mK 距离地面hK处的集中质量，kg； 1 对应于塔设备基本自振周期T1的地震影响系数值； max地震影响系数的最大值，设计烈度8度时取max=0.45； Tg各类场地土的特征周期，累场地、近震时取Tg =0.3。 K1基本振型参与系数； 表4-3 Excel计算水平地震力过程及结果0-11-22-33-44-顶各段操作质量mi，kg658.84203.913989.417526.517088.3各点距离地面高度hi，mm500200055001300023000hi1.511180.3489442.72407890.914822283488123mihi1.573656083.76E+085.71E+092.6E+105.96E+1091673880218hi31.25E+088E+091.66E+112.2E+121.22E+13mihi38.24E+103.36E+132.33E+153.85E+162.08E+172.4878E+17A/B3.68493E-07ki0.004120.0329590.1503050.5461911.285349水平地震力Fk1,N2.249902114.85561743.0037935.33418207.3以0-1段为例进行计算：（N）其他段由Excel计算过程及结果如表4-3。2. 垂直地震力塔设备底截面处垂直地震力可由下式计算：式中 垂直地震影响系数最大值，取； 塔设备的当量质量，取kg。 任意质量i处垂直地震力可按下式计算： 以01段为例进行计算： （kg） 塔设备底截面处的垂直地震力： （N）658.8kg，距离水平面500mm处垂直地震力：（N）其他段由Excel计算过程及结果如表4-4。表4-4 Excel计算垂直地震力过程及结果0-11-22-33-44-顶,kg40100.140100.140100.140100.140100.1115064.2115064.2115064.2115064.2115064.2029250.29250.29250.29250.29253294008407800769417002.28E+083.93E+0870655430053.643641369.23212530.1637105.0764006.13. 地震弯矩 等径、等壁厚塔设备任意截面的基本振型地震弯矩： 等径、等壁厚塔设备底截面0-0的基本振型地震弯矩：当塔设备H/D15，或H20m时，还必须考虑高振型的影响，在进行稳定和其他验算时，可按下式计算8：底面处地震弯矩：（Nmm）截面1-1处地震弯矩：截面2-2处地震弯矩：同理可得：（Nmm） （Nmm）4.2.6 风载荷与风弯矩1. 水平风力以01段为例进行计算： 式中P1、P2Pi 塔设备各计算段的水平风力，N； De1、De2Dei 塔设备各计算段的有效直径，mm；当笼式扶梯与塔顶管线布置成90时，取下列两式中较大者8： Doi 塔设备各计算段的外径，mm； K21、K22K2i 塔设备各计算段的风振系数，当塔高H20m时，取K2i =1.70，当H20m时，按下式计算8： 风压高度变化系数，按表5-78查得； 脉动增大系数，按表5-88查得； 第i段脉动影响系数，按表5-98查得； 第i段振型系数，根据hi/H与u查表5-108； K3笼式扶梯当量宽度，当无确切数据时，可取400mm8； K4操作平台当量宽度，mm； 第i段内平台构件的投影面积，mm2 操作平台所在计算段的长度，mm。 第i计算段长度，mm。Excel计算过程及结果如表4-5。表4-5 Excel计算水平风力过程及结果0-11-22-33-44顶10002000500010000100001000200050001000010000，m1381828，mm20091051.81062.710600360360540脉动增大系数（B类）2.22.22.22.22.2脉动影响系数（B类）0.720.720.720.790.850.03570.10710.28570.642911.01.01.01.01.0第段的风振系数0.020.020.150.5410.80.811.251.420.70.70.70.70.71.03961.03961.23761.7508162.316901,N/m2400400400400400较大值（较大值）28202820318031803360各计算段的水平风力，N656.69451313.3895509.79519486.5830952.322. 风弯矩0-0截面的风弯矩：1-1截面的风弯矩：2-2截面的风弯矩：4.2.7 最大弯矩1. 偏心弯矩偏心质量kg 偏心距mm偏心弯矩Nmm2. 最大弯矩最大弯矩计算结果如表4-6表4-6 最大弯矩表0-0截面1-1截面2-2截面最大弯矩4.2.8 圆筒轴向应力校核1. 圆筒轴向应力设计压力引起的轴向应力：MPa MPa MPa操作质量引起的轴向应力：（MPa）（MPa）（MPa）最大弯矩引起的轴向应力：（MPa）（MPa）（MPa）2. 圆筒稳定校核载荷组合系数 K=1.2系数设计温度下材料的许用应力查得1 （16MnR，200）=170MPa （Q235-A，200）=113MPa即：=113MPa =113MPa =170MPa查得1 （16MnR，200）B=118 （Q235-A，200）B=93则：MPa ， MPa MPa ， MPaMPa ， MPa取两者中较小值，即： =111.6MPa =111.6MPa =141.6MPa MPa MPa MPa圆筒最大组合应力：MPa=111.6MPaMPa=111.6MPaMPa=141.6MPa对内压容器 满足要求。圆筒最大组合拉应力： MPaMPa MPaMPa MPaMPa对内压容器 满足要求。4.2.9 塔设备压力试验时的应力校核试验介质密度（介质为水）：kg/cm3 ，液柱高度：H=2800cm液柱静压力：MPa2-2截面最大质量：kg2-2截面MPa2-2截面KB=141.6MPa压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力=141.6MPa（取两者中较小者）试验压力引起的周向应力：MPa液压试验时， MPaMPa试验压力引起的轴向应力：MPa重力引起的轴向应力： MPa弯矩引起的轴向应力： MPa液压试验时圆筒最大组合应力：MPa （满足要求）MPa（满足要求）4.2.12 裙座轴向应力校核1. 裙座底截面的组合的应力裙座有效厚度：mm 裙座筒体内径：mm0-0截面积：mm20-0截面系数： mm2MPa ，MPa 裙座许用轴向应力取两者较小值。0-0截面组合应力：MPaMPa2. 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力检查孔加强管长度：mm，检查孔加强管厚度：mm检查孔加强管水平方向的最大宽度：mm mm21-1截面处裙座筒体截面积： mm21-1截面处得裙座筒体截面系数：1-1截面组合应力： 0时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓个数：n=32地脚螺栓材料的许用应力：对于Q235-A取=140MPa地脚螺栓腐蚀余量：C2=3mm地脚螺栓螺纹小径：mm圆整后可取M30地脚螺栓。4.2.12 接管由Aspen模拟结果知F、D、W、V、L、V的体积流量分别如下：F=0.0245m3/s D=0.0020m3/s W=0.02289m3/s V=2.6883m3/s L=0.0076m3/s V=2.6139m3/s一般液体的流速为1.03.0m