83塔强度设计

1塔设备的载荷：塔内介质的压力、塔的各部分重力、偏置构件的偏心载荷、管道推力、风载、地震载荷塔设备的三种工况：正常操作、停车检修、压力试验——三种工况下总载荷不同塔设备的设计内容：8.1塔的强度设计1、填料塔选择填料计算塔径计算填料层总厚度计算压降机械设计结构设计22、筛板塔确定塔板数和塔板效率选取塔板间距和塔高计算塔径机械设计结构设计塔盘布置与验算六项内容中的前四项属于工艺设计3①裙座最低截面——裙座筒体与基础环的连接处；②裙座人孔截面；③塔体最低截面——塔体与裙座的连接处；④塔体与裙座的焊缝截面。机械设计内容1、按设计条件初定塔体壁厚；2、计算塔在危险截面的总载荷；3、同时考虑总载荷与操作压力校核塔体壁厚及塔的稳定性；4、设计裙座、确定地脚螺栓的规格及数量。塔设备的主要危险截面本节主要讲载荷分析、塔体和裙座的强度及稳定性校核、塔设备的振动58.1.1塔的固有周期8.1.2塔的载荷分析6质量载荷塔设备在正常操作时的质量mo=mo1+mo2+mo3+mo4+mo5+ma+me塔设备在水压试验时的质量（此时最大）mmax=mo1+mo2+mo3+mo4+mw+ma+me塔设备在停车检修时的质量（此时最小）mmin=mo1+0.2mo2+mo3+mo4+ma+me(注：书上mmin式中无me不对）7式中：mo1——塔体和裙座的质量；mo2——塔内件（如塔盘、填料等）的质量；m03——保温材料的质量；mo4——操作平台和扶梯的质量；mo5——操作时塔内物料的质量；ma——塔附件（如人孔、接管、法兰等）的质量；me——偏心构件（如吊柱再沸器、冷凝器等）的质量；mw——水压试验时，塔内充水的质量；0.2——折算系数，检修时有些内件(如塔板、填料等)拿掉偏心弯矩Me=mege式中：g、e——依次为重力加速度和偏心距（偏心构件的重心至塔中心线的距离。在不考虑操作平台及外部管线的限制作用时，若将塔设备视为具有多个自由度的体系，则它就有多个固有频率，最低的称为基本固有频率或基本频率。各质点振动后的变形曲线称为振型。与基本固有频率对应的周期称为基本固有周期或基本周期。1塔的固有周期9等直径、等厚度塔的固有周期T1的求法：等直径、等壁厚塔器的基本自震周期：301390.3310eimHTHESD11不等直径、不等厚度塔的固有周期处理成多个塔节组成，将每个塔节化为质量集中于其重心的质点，并采用质量折算法计算第一振型的固有周期。质量折算法的基本思想是将一个多自由度体系，用一个折算的集中质量来代替，从而将一个多自由度体系简化成一个单自由度体系。确定集中质量的原则是使两个相互折算体系在振动时产生的最大动能相等。不等直径、不等厚度塔的固有周期T1的求法：不等直径或不等壁厚塔器的基本自震周期：3333111211114.810nnniiiiiiiiiiihHHTmHEIEI141、地震载荷（参见JB4710）地震起源于地壳深处，地震波传到地面时，会使塔设备发生振动。地震载荷可以分解为三个平动分量和三个转动分量。转动分量实测数据很少，一般不予考虑。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。垂直方向较小，一般只有在地震烈度为8度或9度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。15震级地震烈度基本烈度地震规模的大小，由地震能量决定，能量越大、震级就越大。发生地震时，地区的危害程度、震级越大、该地区距地震中心的距离（震中距）越小、地质条件越有利于地震波的传播，地震烈度就越大。某地区在今后一定时期内，可能遭遇到的最大地震烈度。基本烈度分为12个等级，12度最高，然后依次降低。当基本烈度在7度及以上时，就应考虑水平地震分量对塔设备的影响，当达到8度及以上时，应同时考虑水平和垂直地震分量对塔设备的影响。设计烈度抗震设计时采用的地震烈度，根据基本烈度和设备重要性等确定，设计烈度不小于基本烈度。（1）地震力计算a.水平地震力所谓地震力是地震时地面运动对于设备的作用力。对于底部刚性固定在基础上的塔设备，如将其简化成单质点的弹性体系，则地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力。①塔底刚性固定；②沿塔高分布多个质点（m1~mn），各质点分别代表直径和壁厚相等的一段塔（均质段）的质量（质心位置）；③弹性体系；④水平地震力自塔底向上传递，各质点产生惯性力；⑤mk是第k段塔（均质段）的质量，mk位于计算截面Ⅰ－Ⅰ之上。模型特征17第k段塔节重心处（k质点处）产生的相当于第一振型（基本振型）的水平地震力为Fk1=α1ηk1mkg式中：Fk1——任意一个质点mk的水平地震力，Nα1——相应于设备第一自振周期T1的地震影响系数，根据T1和塔安装地的地质情况由下图确定：18ηk1——相应于设备第一自振周期T1的质点mk的振型系数：式中：hk——第k段塔的集中质量mk（质心）离地面的距离，（见图8-5，mk位于计算截面Ⅰ－Ⅰ之上），mmi——第i段塔在操作时的集中质量，kg;hi——mi（质心）离地面的距离，m3iin1i5.1iin1i5.1k1khmhmh19对于直径、等壁厚的塔，质量沿塔高是均布的，mk的振型系数为：5.15.1k1kHh6.1式中：H——塔的总高度，mmk——kg;g——重力加速度，取g=9.81m/s2。2021塔底截面0－0的垂直地震力为：b.垂直地震力Fv0－0=αvmaxmeqg式中：αvmax——垂直地震影响系数的最大值，αvmax=0.65α1max;meq——塔设备的当量质量，meq=0.75m0;m0——塔设备在操作时的集中质量，kg22塔在任意质点i处的垂直地震力为：)，n3,2,1i(FhmhmF00vkkn1kiiiiv（2）地震弯矩水平地震力对塔构成弯矩（质量沿塔高非均布的塔设备）：11111()nEkkkMFhhk1kh1k000h|1EhFM塔底截面23对于等直径、等壁厚、即质量沿塔高均布的塔设备（常见）：113.52.53.5111.58(10144)175ZECmgMHhHhH00211|01635zEhMCmgH塔底截面式中：ⅠⅠ1EM001EM——塔设备任意计算截面的地震弯矩，N·m；——塔设备底部截面的地震弯矩，N·m；h——计算截面Ⅰ－Ⅰ距塔底的距离，m;m——塔设备在操作时的总重量，kg.24以上计算是按塔的第一振型（一阶共振）进行的，当H/D15或H≥20m时，还必须计算高阶振型的地震力和地震弯矩，为使问题简单化，可按下式考虑各振型的地震弯矩：ⅠⅠ1EⅠⅠEM25.1M25风力除了使塔体产生应力和变形外，还可能使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。强度及失稳、效率降低。风载荷是随机载荷，对于顺风向风力，可视为两部分组成：平均风力（静载荷）与脉动风力（动载荷）。通常将动载荷折算成静载荷，由于动载荷会引起塔设备的振动，因此折算系数称为风振系数。2、风载荷（风力）262、风载荷（风力）塔设备的主要危险截面位于塔的不同高度，在不同高度处的风力不同，应分别计算（分段计算），见右图中的l1~ln段。图中q1~qn为各段风力的均布载荷（风压），P1~Pn为各段风力的集中载荷。27（2）风载计算（参见JB4710）Pi=k1k2iqiliDei式中：Pi——塔设备中第i计算段所受的水平风力，N；ki——塔的体型系数，塔为细长圆柱体，可取k1=0.7;k2i——塔设备中第i计算段的风振系数；qi——塔设备中第i计算段的风压，Pa；li——塔设备中第i计算段的高度，m，见图7－74；Dei——塔设备中第i计算段的迎风面的有效直径，m。28a.风压qi若塔高H≤10m，以塔顶风压作为整个塔的风压；若H10m，应从塔底每10m分为一段，按下式分段计算风压；qi=fiqo式中：qo——基本风压，Pa；fi——风压随高度变化的系数。29①基本风压qo(qo可直接查表)式中：ρ——空气密度，kg/m3，随当地的高度和湿度而异，中国设计规范规定：各地均取一个大气压、10℃时的干空气密度，即ρ=1.25kg/m3；vo——基本风速，m/s，随当地季节和离地面的高度而异，中国设计规范规定：取当地30年一遇、离地面10m高处、以10min为时距所得的最大风速的平均值。212ooqv30②风压随高度变化的系数fi（fi可直接查表）地表通常是凸凹不平的，当风刮过时，不平的地表对风速、风压产生阻碍作用，使其产生梯度。研究表明：在一定高度内，高度越大，风速、风压就越小，风速、风压随高度变化呈指数关系。注：风压不是气压，地表处空气密度大，气压也大，而风压（均布载荷）却小。313233b.风振系数k2i脉动风力的大小会影响塔振幅（摇晃度）的大小，脉动风力越大，振幅也越大，振动周期也越长；塔在迎风的振动行程内，会使脉动风力相对增大，振幅越大即振动周期越长，脉动风力增大得也越多。若塔高H≤20m，取k2i=1.70若塔高H20m，按下式计算：式中：ξ——脉动风力的增大系数，与风压和振动周期有关，见表7-6；vi——塔设备中第i计算段的脉动风力的影响系数，与地表粗糙度和第i段所在高度有关，见表7－7；；φZi——塔设备第i计算段的振型系数，与第i段所在高度相对塔的高度和塔顶直径相对塔底直径有关，见表7－8。iZiii2fv1k343536c.塔设备中第i计算段的迎风面的有效直径Dei塔设备承受风力的宽度不仅是塔径，还包括保温层、扶梯、操作平台、外接管道、管道保温层等。塔体保温层和操作平台总是相对塔体中轴线对称的，而扶梯和外接管道（及其保温层）却不对称，但是不外乎以下三种情形：37扶梯与管线布置成90°风吹扶梯，不吹管线扶梯与管线布置成90°风吹管线，不吹扶梯扶梯与管线布置成180°风向风向风向扶梯塔管线38当笼式扶梯与塔顶管道布置成180°时：Dei=Doi+2δsi+k3+k4+d0+2δps式中：当笼式扶梯与塔顶管道布置成90°时，Dei取以下两式中的较大值：Dei=Doi+2δsi+k3+k4Dei=Doi+2δsi+k4+d0+2δpsDoi——塔设备中第i计算段的外径，m;δsi——塔设备中第i计算段的保温层厚度，md0——塔顶管线的外径，m;δps——塔顶管线的保温层厚度，m;k3——笼式扶梯的当量宽度，无确定数据时，取k3=0.40m;39k4——操作平台的当量宽度，m：04hA2kΣA——第i段内操作平台构件在风力方向的投影面积（不计空挡的投影面积），m2；h0——第i段内操作平台的高度，m系数2——操作平台在迎风侧半周和背风侧半周均能产生投影面积ΣA。注：k4是投影宽度的当量尺寸。风力方向投影宽度塔操作平台式中：h0li40（2）风力弯矩的计算41（2）风力弯矩的计算11312121312123()()()2222nwnllllMPPlPllPlll参照图8-8，分别计算各段的底部截面（危险截面）的风力弯矩：第一段底部截面（塔底）：第二段底部截面：223221312123()()()222nwnlllMPlPllPlll第三段底部截面：333312123()()22nwnllMPllPlll以此类推，算出各危险截面的风力弯矩。可见下段对上段不起作用，弯矩是本段和上部各段的累计）423、偏心弯矩Me=mege式中：g、e——依次为重力加速度和偏心距（偏心构件的重心至塔中心线的距离。43最大弯矩是偏心弯矩Me、风力弯矩Mw和地震弯矩ME的综合。若假设Me、Mw和ME同时出现、且出现在塔的同一方向，则偏于保守，因为风速最大时未必发生地震，或震级未必最高。另外，水压试验时间较短，一般遇不到地震。为此，最大弯矩Mmax按下列方法计算：操作或停车时：Mmax=max{Mw+Me,ME+0.25Mw+Me}水压试验时：Mmax=0.3Mw+Me塔设备的最大弯矩44各种载荷引起的轴向应力（1