塔器大型化设计学习要点与笔记

《在塔设备设计中如何判断是否加框架支撑》高径比(H/D)较大的塔在风载荷的作用下,在塔顶处会引起一定的静挠度。因此在完成初步的塔设计后,还要验算塔设备的挠度值是否在允许的范围内,进而决定塔是否需要加框架支撑。本文通过实例中对塔的强度及挠度的计算,来判断是否加框架支撑。按GB150-98《钢制压力容器》[1]和全国压力容器标准化技术委员会的SW6《压力容器设计计算程序软件包》进行计算。是否要加框架,和塔顶挠度有关：要降低塔顶的挠度,可以采用增大塔径或壁厚得到。一般来说塔径由工艺计算而得,改变它较难,而壁厚与塔顶挠度成反比关系,因此对高径比(H/D)较小的塔,以塔壁厚的大小来调整塔顶挠度的大小比较有效果和合理,对高径比(H/D)较大的细高型塔,加框架支撑对减少塔顶挠度会有明显的效果。塔式容器整体应力分析及评定塔器的现行设计方法均基于常规设计方法进行[2]（JB4710-1992,钢制塔式容器）,常规设计通过解析法计算出在考虑不同载荷组合情况下的初设计结构各危险截面的应力,进而对计算出的应力进行评定,实现对塔器的有效设计。由于解析法的力学构建基础模型不可能对实际结构的复杂性进行详尽的考虑,因此实际上计算结果和具体的结构存在或大或小的差异,加之对各种应力采用统一的弹性实效准则进行控制,也给实际工程中材料的有效利用造成了一定的影响。完整的塔器分析应考虑以下载荷:①压力作用,液柱静压力作用超过设计压力的5%时尚应计及液柱静压的作用。②塔器的自重作用。③风载的面力作用。④地震的体力作用,包括水平地震力和垂直地震力,一般情况下只考虑水平地震的作用。⑤偏心载荷。在塔器分析中应分别计算自重载荷、内压载荷、风载荷、地震载荷、偏心载荷和压力试验载荷引起的应力。于工程分析中采用弹性分析来处理具体问题,因此,在塔器应力分析中各种载荷引起的应力就可以分别计算,进而采用线性叠加的方法来计算各种载荷组合工况下的应力。塔式容器设计问题解析本文所论述的是在JB/T4710—2005《钢制塔式容器》中明确规定的高度H大于10m，且高度H与平均直径D之比大于5的裙座自支承钢制塔式容器;塔设备筒体分段有以下原则：第一，每一段内不得存在直径、壁厚的变化；第二，锥形壳体应单独分成一段或几段；第三，存在集中质量的塔式容器，应使集中质量的作用点位于该计算段的质量集中点，避免在同一计算段内形成两个质点。关于计算软件的一些使用注意。塔设备的强度和稳定性计算塔体轴向应力校核：塔体承受压力(内压、外压)、弯矩(动震、风和偏心弯矩)和轴向载荷(塔体、塔内介质及附件等的重量)的联合作用。内压使塔体产生轴向拉应力;外压则引起轴向压应力;弯矩使塔体一侧产生轴向拉应力。另一侧产生轴向压应力;重量使塔体产生轴向压应力。由于压力、弯矩、重量随塔器所处状态而变化,组合应力也随之变化。因此,必须计算塔器在各种工况下的轴向组合应力,并确保组合的轴向拉应力满足强度条件,组合的轴向压应力满足稳定条件。一般情况下,塔器有安装、正常操作、停工检修和水压试验四种状态。列表说明各种工况下的应力计算及控制。在进行应力校核时,理应对各种工况下的拉、压应力分别进行计算和校核。但为了方便计算和偏于安全,《规范》对校核项目进行了简化,如表1所示。塔-钢框架一体化设计在化工装置的塔基础设计中,对于独自矗立的塔基础设计一般是由设备专业按照塔体计算的专业软件计算塔体,然后再将算得的塔根部的基础数据提供给结构专业,结构专业再按照塔基础的设计规范及塔根部的内力(垂直向下的重力、地震或风荷载产生的水平剪力及弯矩)计算塔基础。然而对于矗立在露天钢框架装置内、上部支撑在钢框架平台上的塔，如果还按照底部支撑，上部自由悬臂的模型计算基础计算就不合理了,且存在着很大的安全隐患。作者提出了:塔的基础数据(地震及风荷载产生的)水平剪力(Q)及弯矩(M)由结构专业按照塔的真实受力状态的计算模型,即塔-钢框架一体化模型进行计算,而垂直向下的重力(N)则仍按照工艺专业提出的基础数据来计算(内力Q、M的计算过程略)。按照简化的计算模型,即上部在各支点处简支、下部固结的计算方法算得的塔根部的内力大大减小了。