综合设计计算说明书20R版

过程设备综合设计计算说明书专业班级 姓 名 学 号 时 间 一、设计任务1. 结构设计任务完成原油分馏塔的总体结构设计，绘图工作量折合A1图共计4.25张左右，具体包括以下内容： 原油分馏塔总图1张A0加长； 原油分馏塔塔盘装配及零部件图2张A1。2. 设计计算内容完成原油分馏塔设计计算说明书，主要包括原油分馏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Di=2000mm，塔高H=49106mm；2. 设计压力p=0.24MPa，设计温度t=375；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，场地土类别III类；4. 塔内装有N=50层浮阀塔盘；每块塔盘上存留介质层高度，介质密度；开有人孔11个，在人孔处安装半圆形平台11个，平台宽度B=900mm，高度为1200mm；5. 塔外保温层厚度为s=140mm，保温层密度2=350kg/m3；有关其他的工艺尺寸见常压塔简图。三、设备强度及稳定性校核计算1. 选材说明1) 塔体圆筒及封头材料的选取：由于工作介质的压力和温度都不是很高，选20R加工筒体和封头。但考虑到原油中含硫含酸，为避免腐蚀，在塔体的中段和底段采用20R+316L的复合板。 裙座材料的选取：由于裙座的垫板、盖板、立筋板、底环板不与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素钢。在这里选用Q235-B。对于裙座筒体，考虑到风载荷和地震载荷以及材料的性能，上段选用20R，下段选用Q235-A。2. 主要受压元件壁厚计算本部分应包括常压塔的主要筒体及椭圆封头等重要受压元件的壁厚计算，裙座厚度先按经验值取。1.筒体壁厚、封头壁厚（1）查表知，在390oC时，钢板厚度在1636mm之间，20R的许用应力t=120.2Mpa焊接方式为双面焊对接接头，100%无损检测，则=1.0由公式，筒体壁厚 第一段腐蚀余量C2=4 mm, 第二三段腐蚀余量C2=0 mm，压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过5mm时，钢板厚度负偏差 C1取0 mm设计厚度名义厚度 根据经验，将塔体分成三段，塔顶数第一段厚度为16mm的20R钢板，高度为12400m;第二段厚度为16+3（mm）的20R+316L复合板，高度为16500mm；第三段厚度为20+3（mm）的20R+316L复合板, 高度为12000mm。有效厚度第一段=16-4=12mm；第二段=16+3-0=19mm；第三段=20+3-0=23mm验证，钢板厚度的确在所选范围内。结果不需修正。（2）封头选用椭圆封头，因为其曲率变化平滑连续，应力分布较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用最多的封头。选用的标准椭圆封头，此时K=1，其厚度计算公式为 上封头腐蚀余量C2=4mm, 下封头腐蚀余量C2=0mm；钢板厚度负偏差 C1=0 mm设计厚度名义厚度 根据筒体的厚度，上封头取厚度为16mm的20R，下封头选用20R+316L复合钢板，厚度为20+3mm；有效厚度上封头=16-4=12mm；下封头=20+3=23mm；裙座壳厚度按经验取为22mm。验证，钢板厚度的确在所选范围内。结果不需修正。查化工容器及设备简明设计手册，曲面高度h=500 mm,直边高度为40 mm。3. 原油分馏塔质量载荷的计算（1）塔体圆筒、封头、裙座质量m01圆筒质量：对于高度为12400mm，厚度为16mm的20R钢板：查化工容器及设备简明设计手册表13-1.5得，DN2000mm,壁厚16mm圆筒每米长质量为795Kg。对于高度为16500mm，厚度为16+3（mm）的20R+316L复合板：查化工容器及设备简明设计手册表13-1.5得，DN2000mm,壁厚19mm圆筒每米长质量为945 Kg。对于高度为12000，厚度为20+3（mm）的20R+316L复合板：查化工容器及设备简明设计手册表13-1.5得，DN2000mm,壁厚23mm圆筒每米长质量为 1147.5kg。所以封头质量：上封头：查化工容器及设备简明设计手册表13-2.2得，DN2000mm,壁厚16m的椭圆封头质量为 588kg。下封头：查化工容器及设备简明设计手册表13-2.2得，DN2000mm,壁厚20+3mm的椭圆封头质量为746kg。所以裙座质量：裙座为圆锥形，上部内径为2000mm，下部内径为2600mm，壁厚为22mm，可等效为内径为2300mm的圆柱筒体。查化工容器及设备简明设计手册表13-1.5得，DN2300mm,壁厚22mm圆筒每米长质量为1251Kg所以 m01=m1+m2+m3=39220.5 + 1334 + 9257.4 = 49812 Kg塔内构件质量：保温层质量：平台扶梯质量：操作时物料质量：附件质量：按经验取附件质量为：充水质量：4. 分段相关参数说明 表 1各塔段质量载荷列表段号0-11-22-33-44-5合计塔段长度/mm1000640012000165001320649106人孔与平台数0034411塔板数0062618501358.98760.51377015592.510446.149812339.72161.13442.53898.12611.61245300141361234239117750220403655294364.514149.5402562531.253388.223207.5394230900.5662806531.24521.618233.3601125.7376805181040061.7.41738.612298.1631472.7541062.0229390.33.861738.612523.362872.7586340.0264930.43.11738.611397.624062.3529632.4221477.5388308.5全塔操作质量全塔最小质量水压试验时最大质量【注】塔内构件浮阀塔盘的质量每m2质量为75kg计算平台质量按每m2为150kg计算笼式扶梯质量按每m为40kg计算5. 风载荷与风弯矩的计算已知基本风压值为480 pa，场地土类别为类。自振周期计算：因为H/D=24.5515且H20m，所以必须考虑高振型影响。其中 hi-质心到地面的距离 mm； Hi-第i段底截面到塔顶的距离 mm； H -塔高 49106 mm； Ei-操作温度下的弹性模量 Mpa； Ii第i段的截面惯性矩单位；对圆柱段，Ii=0.393, 对圆锥段；（其中，为锥壳的大端内直径，为锥壳的小端内直径）列表用Excel计算塔段0-11-22-33-44-5hi5004200134002765042503Hi4910648106417062970613206EiIi1.447e119.699e107.48e106.145e103.841e10结果T1=0.637s；根据自振周期查JB/T4710-2005表8-4得以2-3段为例计算风载荷：，查JB/T4710-2005表8-6得地面粗糙度为B类，距地高度19.4m，查JB/T4710-2005表8-3得风压高度变化系数，查JB/T4710-2005表8-5表7-7.脉动影响系数所以风振系数对于细长得圆柱形塔体结构，体形系数笼式扶梯的当量宽度，塔顶管线外径do=250mm，塔设备第三段保温层的厚度和管线保温层厚度操作平台的当量宽度其中为第I段操作平台构件的投影面积，m2设笼式扶梯与进出口布置成 则所以2-3段为例计算风载荷以上述方法计算出各段风载荷，列表如下：计算段平台数110004800.70.72 0.01 2.041.0151.00 10000035241201.456264004800.70.72 0.04 2.041.0591.00 74000032247340.2113120004800.70.79 0.23 2.041.2971.25 194003540379624805.084165004800.70.85 0.65 2.041.7561.49 359004523.63771.654722.915132064800.70.85 1.00 2.042.0381.67 490914654.23888.258728.46风弯矩计算：对于0-0截面：对于1-1截面：对于2-2截面：对于3-3截面：对于4-4截面：6. 地震弯矩计算由以上计算知：塔的总高度H=49106mm全塔操作质量=.36kg塔的固有周期=0.637s塔的阻尼比取1=0.01，则塔的阻尼调整系数为：塔的衰减指数为：由JB/T4710-2005表8-2查得，场地土的特性周期=0.45（类场地土，第一组）。由JB/T4710-2005表8-1查得，地震影响系数的最大值=0.16(设防烈度8级)。则该塔的地震影响系数为： 不等径，不等厚的圆筒其中：hk 为质心到塔底的距离m； hi为I段底截面到塔底的距离m； mi为I段质量kg；水平地震力地震弯矩为当塔设备高度大于20m时，还必须考虑高振型的影响。可用简单办法估算，用Excel按上述方法列表计算，如下表：塔段0-11-22-33-44-5截面0-01-12-23-34-4/mm5004200134002765042503/mm01000740019400359000.0.0.0.1./N6.1125.37516412.5163469.6586579.87/kg1738.612298.1631472.7541062.0229390.33/Nm.228.526.145.628.981/Nm.785.408.432.535.727在设防烈度为8或9度的地区应考虑垂直地震力的作用。一个多质点体系在地面的垂直运动作用下，塔设备底部截面上的垂直地震力为式中-垂直地震影响系数的最大值，取=0.65=0.65*0.16=0.104； -塔设备操作时的质量，.86kg。 -塔设备的当量质量，取=0.75=86971.4，kg； 塔任意质量i处所分配的垂直地震力为：任意计算界面I_I处的垂直地震力为 ：塔段0-11-22-33-44-5/kg1738.612298.1631472.7541062.0229390.33/mm5004200134002765042590 0.0.0.0.0.26.981603.18913089.8535239.5838772.188731.788704.7287101.5374011.6838772.1确定最大弯矩时，偏于保守假定风弯矩和地震弯矩同时出现，且出现在塔设备的同一方向，在正常或停工检修时，取计算截面处的最大弯矩为取其中最大值做水压试验时，可取最大弯矩为。截面0-01-12-23-34-4.045.652.67.71.048.297.571.1.46.739.297.571.1.46.7397. 各种载荷引起的轴向应力的计算 设计压力引起的轴向拉应力= = 9.13 MPa操作质量引起的轴向压应力0-0截面，令裙座壁厚，有效壁厚= 7.085 MPa1-1截面 ， ,人孔截面的截面积，查表16-10得，2-2 截面 ， =7.52MPa最大弯矩引起的轴向应力0-0 截面 = 72.6 MPa1-1截面 , ，人孔截面的的断面模数，查表16-10得，= 2-2 截面，=8. 原油分馏塔塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核塔体的最大组合轴向拉应力校核截面2-2 ，塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的2-2截面的迎风侧上 ,满足要求塔体与裙座的稳定性校核2-2 截面 塔体的最大组合轴向压应力发生在停车的2-2截面的背风侧上B值计算：A=0.，查图14-4得（20R，390oC），,满足要求1-1截面 最大组合轴向压应力发生在1-1截面的背风侧上 B值计算：A=0.00164，查图14-4得（Q235-A，35oC）Q235-A，35oC 时，,满足要求0-0 截面 最大组合轴向压应力发生在1-1截面的背风侧上 B值计算：A=0.00159，查图14-4得（Q235-A，35oC），,满足要求9. 塔体水压试验和吊装时的应力校核（一）水压试验时各种载荷引起的应力：.确定试验压力由化工容器及设备简明设计手册查得20R在常温和设计温度（390C）下的许用应力分别为=170Mpa，120.2Mpa。则试验压力为试验压力和静液柱引起的环向应力筒体的有效厚度取最薄处的厚度，即则环向应力为：由试验压力引起的轴向拉应力水压试验时最大质量引起的轴向压应力弯矩引起的轴向应力（二）水压试验时的应力校核.圆筒环向应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态，必须保证液压试验时容器的圆筒的环向应力必须满足满足要求。.最大组合轴向拉应力校核可见满足要求。.最大组合轴向压应力校核.计算最大组合轴向压应力：.计算B值：由化工容器及设备简明设计手册图16-4查得常温时B120Mpa，则KB=1.2120=144Mpa,可见满足要求。（三）吊装时应力校核按最不利的吊装条件进行校核可见满足要求。10. 基础环设计塔设备的重量及由风载荷、地震载荷及偏心载荷引起的弯矩通过裙座筒体作用在基础环上，而基础环安放在混凝土基础上。基础环与混凝土接触面上，重量引起均布压缩应力，弯曲引起弯曲应力，压缩应力始终大雨拉伸应力。基础环应该有足够的厚度来承受这种应力。.确定基础环的内外径裙座底端内径2600mm,则.基础环的应力校核= 取以上中较大的值，= 5.71 MPa选用150号混凝土，由表16-11查得其许用应力Ra=7.5MPa，=5.71 MPa 0，地脚螺栓数n=24，螺栓材料为35CrMoVA，许用应力=278MPa, 由表16-13得M64的螺栓的根径d1=57.5mm 51.3mm,满足要求。12. 裙座与塔壳连接焊缝验算验算合格。四、典型零部件计算主要是开孔补强的计算内容开孔以后，除削弱容器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此必须考虑开孔的补强问题补强结构分三种：补强圈补强，厚壁接管补强，整锻件补强补强圈贴焊在壳体与接管连接处，结构简单，制造方便，使用经验丰富，但补强圈与壳体金属不能完全贴合，传热效率差，在中温以上，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力，另外补强圈与壳体采用搭接连接，难于与壳体形成整体，抗疲劳性能差。这种结构一般用于静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa，补强圈厚度小于 或等于1.5 ，壳体名义厚度不大于38 mm 的场合。 本吸收塔正适合采用这种补强圈补强的方式。开孔补强的设计一般采用等面积补强法，即认为壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿GB150对开孔的最大直径做了如下限制： Di1500时，开口最大直径 ; 本塔, 满足要求 在椭圆形或碟形封头过度部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面；(1) 进料管的补强已知条件：筒体直径 Di=2000 mm, 开有内径250 mm的孔 ；操作压力 0.42 MPa操作温度390oC ; 因使用20R+316L复合钢板，虽然介质有一定腐蚀性 C2=0 mm ; 筒体