压力容器设计人员培训班讲稿-塔式容器

2011年江苏省D类压力容器设计人员培训班,JB/T47102005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/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；415,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=1/6T1T3=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（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矩高振型塔式容器任意计算截面的地震组合弯矩（H/D15，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/T4710:按工程设计要求确定；SH3098、HG20652: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/100板式塔H/200挠度控制值过大产生较大的附加弯矩（偏心载荷）；使塔盘效率降低；影响管道法兰连接的密封性等；挠度控制值过小增加塔体壁厚，提高材料和制造费用；,五、制造、检验与验收:,（1）外形尺寸公差应符合图91和91的规定；（2）吊耳与塔壳之间焊接接头应作磁粉或渗透检测；（3）作局部应力校核计算的与塔体之间连接件的焊接接头应作磁粉或渗透检测；（4）裙座与塔壳的焊接接头应连续，对接应全焊透、搭接角焊缝应填满；塔壳材料标准抗拉强度大于等于540MPa时，应作磁粉或渗透检测；（5）图样中液压试验的试验压力要注明卧置、立置；（6）需进行整体热处理的塔式容器，连接件与塔壳的焊接应在热处理前完成。,参考：,支承条件不满足JB/T4710的塔式容器的计算：1.用耳座或圈座支承的塔式容器1）参照JB/T4712中耳座的计算；2）风载荷计算时，从偏于安全考虑，只计算支座上部筒体面积承受的风载荷；参照JPI规定3）支座位置的筒体应局部应力计算；4）采用圈座结构可降低筒体局部应力，计算方法参照HGJ20582或N