讲稿-塔式容器XXXX.doc

2011年江苏省D类压力容器设计人员培训班JB / T 47102005 标准学习塔式容器0. 塔式容器简介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。 0.2 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. SH 3098-2000 石油化工塔器设计规范 4. SH 3048-1999 石油化工钢制设备抗震设计规范 5. HG 20652-1998 塔器设计技术规定0.5 关于JB/T 4710-2005： 1. 替代 JB 4710-2000（实际替代 JB 4710-1992)； 2. 与 GB 150-1998 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GBJ11 GB50009-2001建筑结构载荷规范GBJ17 4. 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 /D5，且高度H10m; （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/D4时，以剪切振动为主；4H/D10时为剪、弯联合振动；1020); 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73） 按封头厚度 R = 3570mm;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74、表75。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/T 21639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， HGT 21574-2008 ； 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/T 4710 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79度； 设计地震加速度对应0.10.4g； 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/D15,且H20m时） 按附录B计算，对等直径、等壁厚的塔式容器，可近似取： T2=1/6T1 T3=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 （85） 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 （86） 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 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 （817） 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（817） 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84） 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/D15且H30m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 vvc1 不需考虑塔器共振 vc1vvc2 必须考虑第一振型振动 vvc2 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7、塔顶挠度计算：（附录C） 计算方法： 等直径且等壁厚 等直径不等壁厚 不等直径不等壁厚 挠度的控制值： JB/T 4710 : 按工程设计要求确定； SH 3098、HG 20652: DN1000mm时，YDH/100; 1000mm2000mm时，YDH/200； 美国埃索公司 H/160 伯克托公司 H/170 美国科学设计公司、凯洛格公司 H/200 西德伍德公司 填料塔 H