塔式容器课件

塔式容器

第一节概述

一、直立设备与塔式容器

化工厂的各种容器都是通过支座固定在生产过程中的某一位置

上，我们把垂直安装的，外形为圆形的容器称为直立设备。常见的有

塔器、反应器、立式罐等。

塔式容器是直立设备中的一种，是化工、炼油生产中最重要的设

备之一。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。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

撑。地脚螺栓又将裙座固定在基础上。

二、钢制塔式容器标准简介

JB4710-92是我国现行的塔式容器设计、制造、检验与验收的行业

标准。它适用于H/D>5,且H>10m的裙座自支承式钢制塔器。

塔式容器属于高耸结构，其承受的载荷除压力、温度载荷外，还

有风载荷、地震载荷、重量载荷、偏心载荷等。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。

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/DW4时，以剪切振动为主；4<H/D

W10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。

本标准仅适用于裙座自支承的塔器，所谓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。

塔式容器的设计压力可以是内压，也可以是外压。

本标准主要引用标准有GB150《钢制压力容器》、GBJ9《建筑结

构荷载规范》、GBJ11《建筑抗震设计规范》、GBJ17《钢结构设计规范》

等。

第二节塔式容器计算

一、总则

1、设计压力

对最大工作压力小于O.IMPa的塔器取设计压力为O.IMPa。这

样一来，凡是符合本规定的塔器一律按压力容器对待，这对常压操作

的塔器来说显然是提高了要求。塔器是工业装置的重要设备，对其要

求提高一些为保证安全运行是有好处的。

真空塔器按承受外压设计。

2、最小壁厚及名义厚度

最小壁厚主要是基于考虑在制造时满足焊接工艺对厚度的要求和

保证几何尺寸的公差要求，还适当考虑了制造和运输过程中所需的刚

度要求。

塔壳不包括腐蚀裕量的最小厚度按以下规定确定：

(1)对于DiW38()()mm,用碳钢或低合金钢制塔器，6min^

2Di........

而历mm,且小小十4mm。

(2)对不锈钢制塔器，6min^3mmo

对塔壳和裙座，在任何情况下，其名义厚度不得小于最小厚度与

腐蚀裕量之和。

考虑到制造、运输、安装的要求，设定裙座的有效厚度不小于6mm,

按规定，裙座壳的腐蚀裕量为2mm,这样裙座壳体不含钢板负偏差的

厚度应为8mm。计入钢板负偏差，圆整至钢板规格厚度，则裙座的名

义厚度应为lOmirio

3、塔壳以外构件的腐蚀裕量

严格地说，构件的腐蚀裕量应根据介质对材料的腐蚀率和构件的

设计寿命决定。即C2=K・B

K——腐蚀率毫米/年

B——构件设计寿命，一般为15〜20年

工程上下列构件腐蚀裕量一般按经验选取

裙座壳体C2=2mm

地脚螺栓C2=3mm

塔器内件（与塔壳材料相同时）按表1

表1塔器内件腐蚀裕量C2

内件

腐蚀裕量C2

结构形式受力状态

不可拆卸或不能受力取塔壳腐蚀裕量

从人孔取出不受力取塔壳腐蚀裕量的1/2

可拆卸并可从受力取塔壳腐蚀裕量的1/4

人孔取出不受力0

4、许用应力

（1）受压构件许用应力按GB150规定；

（2）非受压构件许用应力，除裙座壳和焊于受压壳体上的重要内

件、栅板等支承件的许用应力按受压件的许用应力选择外，其余按

GBJ17的规定选取。

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

应力值在原来受压构件许用应力基础上乘一个系数K=1.2o

焊接接头系数、压力试验等均按GB150要求。

注意：塔器以卧置进行液压试验时，试验压力应为立置时的试验

压力+液柱静压力。

二、材料选用

1、受压元件材料选用按GB150规定；

2、裙座壳体按受压元件用钢要求选用。因为裙座壳体支撑塔体的

整个重量，它的破切直接影响塔器的正常使用。必要时裙座应设过渡

段，使裙座顶部材料与塔体下部封头材料相同。

3、地脚螺栓一般选用Q235—A,许用应力按［。、尸147Mpa。当环

境温度低于0℃时，选用16Mn,许用应力［。瓜=170Mpa。如果选用其

他碳素钢或优质碳素钢作地脚螺栓，其屈服安全系数nsel.6o

4、基础环，盖板及筋板一般选用低碳钢（Q235—A）,其许用应

力［。］b=140MPao

三、塔式容器及裙座计算

1、计算前的准备

（1）工艺必要的给定条件

（2）塔设备设置地区的条件

设置地区的基本风压值，地震设防烈度，场地土类别等。

（3）计算条件的确定

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）偏心悬挂的附属设备的重量确定（最小、操作及最大重量）。

（5）确定危险截面位置。一般来说，危险截面为下述截面。

a.塔器裙座底截面。

b.裙座上开设人孔、手孔、引出管孔的中心位置截面。

c.塔器筒体与裙座对接焊缝（或搭接焊缝）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、地震载荷计算中一般把塔体最多分为9段，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

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、计算步骤

（1）根据GB150相应章节按压力确定圆筒和封头的有效厚度6e

和8eh。

（2）根据地震或风载荷选取若干计算截面，设定各截面圆筒的有

效厚度3ei和裙座的有效厚度Seso

（3）进行载荷计算和应力校核，并应满足各相应的要求。

3、各种载荷计算

（1）塔器质量计算

包括设备自重、操作物料、附件以及水压试验时的充水重量。

应区分各种不同的工况分别计算。

（2）自振周期计算

a.概念

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。其值随设备的质量和高度增加而增大。

振型：表征振动时立式设备各质点位移轨迹的曲线称为振型。立

式设备振动时具有多种振型，每种振型对应有一个自振频率，自振频

率最小，即自振周期最大的称为第一振型。而第二和第三振型等称为

高振型。塔器当H/D<15时，仅按第一振型计算地震弯矩；当H/D215

时，需考虑高振型影响，工程上为了计算简化，其地震弯矩按第一振

型的L25倍计算。

b.等直径、等壁厚的塔器自振周期计算

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。经

推导，得：

7>90.334口咚Xi。？

7；=14.42”^^xICT?

T=5.1IH^^xlO-3

（3）地震载荷计算

a.几个基本概念

地震震级、地震烈度、基本烈度、设计烈度、近震和远震、

场地类别

我国是一个多地震国家，JB4710也遵循国家标准GBJU的规定，

对设置在设防烈度为七、八、九度地区的塔器进行抗震验算。

b.水平地震力的计算

c.垂直地震力计算

d.地震弯矩计算

塔任意计算截面I-I的基本振型地震弯矩按下式计算

n

k=\

对于等直径、等壁厚的塔，由于具有连续分布的几何特性的质量,

其任意截面U的基本振型地震弯矩可用积分的形式表示，并简化得

M；1,1=蛆出萼（10"J4"2、+4/产）

£，175H。

底部截面0-0的弯矩即h=0时

明二黑q恤g"

当H/D>15,或高度220m时，还应考虑高振型的影响。高振型影

响的地震弯矩为相应截面第一振型地震弯矩的25%,在进行稳定性验

算时，塔任意截面的弯矩应为

=1.25M]

cc1

（4）风载荷计算

顺风向风力分为平均风和脉动风。平均风是稳定风，对结构的作

用是静力的，采用静力计算方法，只要知道风压大小和结构的迎风面

积即可求出风载荷的值。脉动风是阵风脉动，对结构的作用是动力的。

对结构产生振动，用随机理论计算。

a.水平风力计算

在计算水平风力时，必须对塔进行分段，对于等截面的塔，每段

小于10m。对于变截面的塔宜按截面变化的情况分段，需要计算应力

的危险截面亦需分段。塔体某一计算截面的水平风力

6=--214。力42产10一6

e

P2=KxK2^f2L2De2^

《=用勺心力42小10一6

以上算式既考虑了平均风对塔体的作用，也考虑了脉动风对塔体

振动的影响作用，式中f“Ki查JB4730表。

b.风弯矩计算（见图1）

计算时，塔体分段越多，就越接近于实际的风载分布情况，算出

图1

的塔截面弯矩就越精确。

对于高塔，由于风载荷所产生的弯矩随高度而变化，因而壁厚可

以从下往上逐级减薄，以达到节约材料的目的。

应计算弯矩的截面，是指需要验算的截面，如塔底、裙座人孔处、

裙座与塔底封头连接处焊缝、不等直径变截面交界处、等直径变壁厚

处。塔器任意计算截面I-I处的风弯矩为

=吟++导+%w+心+与+.・・・・・

塔底截面0-0处产生的风弯矩为

咐=吟+*+与）+*+4+4+.・・・・・

（5）偏心弯矩计算

偏心质量引起的弯矩为

Me=me•g•e

4、最大弯矩

塔器任意计算截面口处最大弯矩为

—卜

»一^^+0.25乂京，十”取其中较大值

塔底部截面0-0处最大弯矩为

71^0-0_卜

】皿（MZ-0+0.25M汇°+%,取其中较大值

CW匚

上式弯矩叠加是基于：第一，当3（）年一遇大风时，发生地震的儿

率很小，故不考虑地震影响；第二，发生地震同时刮30年一遇的大风

时几率也很小，但刮小的风完全是有可能的。故取1/4倍风弯矩与地震

弯矩叠加。

5、塔体的强度及稳定性校核

塔体承受压力（内压或外压）、弯矩（地震弯矩、风弯矩、偏心弯

矩）和轴向载荷（重力及垂直地震力）的联合作用。内压使塔体产生

轴向拉应力，外压引起轴向压应力。弯矩使塔壳一侧产生轴向拉应力,

另一侧产生轴向压应力。重量使塔体产生压应力。因此必须计算塔器

在各种状态下的轴向组合应力，其组合拉应力应满足强度条件，组合

压应力应满足稳定条件。

（1）塔体的轴向应力

圆筒形塔体任意截面（I-I）处由内压或外压引起的轴向应力为

PDj

巧=±

4九

圆锥形壳体轴向应力为

PD

<y.=±---------i-----

4/cos尸

圆筒形壳体在操作或非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力

为

g土FL

cr?=-------------

■兀

（尸尸仅在最大弯距为地震弯矩参与组合时计入此项）

对圆锥形壳体'=加"±足/

7iDihSeiCOSp

（FL仅在最大弯距为地震弯矩参与组合时计入此项）

圆筒形壳体由弯矩引起的轴向应力为

二4%;

03

码X

圆锥形壳体4A

03=----------9---------：-----------

7iD^6eiCOS/3

（2）壳体的强度校核

受内压圆筒形壳体组合拉应力

。I-。2+。3^K[0]1•（|）

受外压时圆筒形壳体组合拉应力

-02+O3WK[0]14>

式中：K一载荷组合系数，取K=1.2。

锥形壳体同上。

（3）壳体稳定性校核

壳体（包括圆筒形和圆锥形）最大组合压应力，对内压塔器

。2+。3W［O］cr

对外压塔器。］+。2+。3忘［O］cr

［。:|cr对圆筒形壳体

3］”=］，取其中较小值

［。］仃对圆锥形壳体

「］_\KBCOS2P取其中较小值

6、塔器压力试验时应力校核

液压试验时，试验压力引起的周向应力

（耳+田/9.81）（Q+%）

cy——

试验压力引起的轴向应力2Sei

ei

重力（塔壳、内件、偏心重、保温层、扶梯、平台）引起的轴向

应力I—I

g

冠为"

弯矩引起的轴向应力

4（。.3"+也）

冠渭”•

压力试验时，壳体最大组合应力校核

液压试验时。＜0.9o$0

OI-。2+。3W0.9KOs6

气压试验时。W0.8。S0

。1-。