2011年江蘇省D類壓力容器設(shè)計人員培訓(xùn)班JB / T 47102005 標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)塔式容器0. 塔式容器簡介0.1 塔式容器在工藝上的作用： 塔式容器是直立設(shè)備中的一種，它可使氣液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到傳質(zhì)及傳熱的目的。在化工、煉油、醫(yī)藥、石化、輕紡、石油天然氣等行業(yè)的蒸餾、吸收、解吸、萃取及氣體的洗滌、冷卻、增濕、干燥的單元操作中得到廣泛的應(yīng)用，是生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。 0.2 塔式容器的主要特點是： 體型高，長寬比大，荷載重，塔身除了承受壓力載荷、溫度載荷外，還承受風(fēng)載荷、地震載荷和重量載荷。塔式容器的支座通常為裙式支座，塔式的整個重量都是由裙座支承。地腳螺栓又將裙座固定在基礎(chǔ)上。對于直徑較小的塔式容器也有采用耳座、圈座等支承方式。也有由操作平臺連成一體的塔群或排塔。 0.3 塔式容器的種類： 從結(jié)構(gòu)考慮：等直徑等壁厚塔；等直徑不同壁厚塔；變徑塔等。 從塔內(nèi)件考慮：空塔；填料塔；板式塔等。 0.4 塔式容器設(shè)計的有關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范： 1. GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范 2. GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范 3. SH 3098-2000 石油化工塔器設(shè)計規(guī)范 4. SH 3048-1999 石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范 5. HG 20652-1998 塔器設(shè)計技術(shù)規(guī)定0.5 關(guān)于JB/T 4710-2005： 1. 替代 JB 4710-2000（實際替代 JB 4710-1992)； 2. 與 GB 150-1998 相關(guān)內(nèi)容一致； 3. 建筑結(jié)構(gòu)載荷、抗震設(shè)計規(guī)范的更新； GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范GBJ11 GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范GBJ17 4. 計算方法、設(shè)計方法的進(jìn)步；如橫向風(fēng)的風(fēng)振計算等； 一、總則：1.適用范圍 適用于： （1）設(shè)計應(yīng)力不大于35Mpa, （2） H /D5，且高度H10m; （3）裙座自支承的塔式容器。 H總高（指塔頂封頭切線至裙座底部的距離）； D塔殼的公稱直徑。 對不等直徑塔式容器：取各段公稱直徑的加權(quán)平均值 適用范圍是考慮下述因素制定的： a. 塔式容器振動時只作平面彎曲振動； b. 高度小的塔式容器截面的彎曲應(yīng)力小，計算壁厚取決于壓力載荷或最小厚度。 c. 塔式容器必須是自支承的。 有牽引裝置的塔式容器、由操作平臺連成一體的排塔或者塔群、帶有夾套的塔式容器不適用本標(biāo)準(zhǔn)（不適用范圍） 說明： 塔式容器屬于高聳結(jié)構(gòu)，其承受的載荷除考慮設(shè)計壓力與設(shè)計溫度一起作為載荷條件外，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷、重量載荷、偏心載荷等的作用。由于以上諸多載荷的存在，塔式容器的計算方法也不同于一般的壓力容器。高塔在壓力較低時，風(fēng)載荷、地震載荷決定了塔器的壁厚；而低矮的塔器的壁厚大多數(shù)取決于壓力載荷和最小壁厚。 裙座自支承是指由裙座支承在基礎(chǔ)上的獨立塔器，塔與塔之間，塔與框架之間毫無關(guān)連。這也使計算自振特性時得以方便。 由于風(fēng)載荷和地震載荷的計算都是動力計算，在作動力計算時，可視塔器為一底端固定的懸臂梁。其振動形式為剪切振動或彎曲振動，有時也可為 剪、彎聯(lián)合振動。當(dāng)H/D4時，以剪切振動為主；4H/D10時為剪、彎聯(lián)合振動；1020); 2）塔釜為低溫操作的塔式容器； 3）裙座與下封頭焊縫可能產(chǎn)生熱疲勞時； 4）裙座名義厚度8mm時。（2） 搭接： 分為搭接在封頭與搭接在筒體上兩種。 搭接在封頭時，應(yīng)位于直邊段； 搭接在筒體上時，環(huán)焊縫需磨平，且100無損檢測； 搭接接頭距環(huán)焊縫不少于1.7倍筒體壁厚；角焊縫應(yīng)填滿。3.封頭拼接焊縫處的缺口: 當(dāng)塔殼封頭由多塊鋼板拼接制成時，拼接焊縫處的裙座殼應(yīng)開缺口， 如圖所示。 （ 尺寸見表73） 按封頭厚度 R = 3570mm;厚度大于38mm，R = 2倍封頭厚度 4.隔氣圈 當(dāng)塔式容器下封頭的設(shè)計溫度大于或等于400時，應(yīng)設(shè)置隔氣圈。 隔氣圈結(jié)構(gòu)見圖7-6、圖7-7； 隔氣圈至封頭切線的尺寸 L可參照標(biāo)準(zhǔn)釋義表3-1。 隔氣圈作用： 空氣隔離，緩解了焊縫處溫差應(yīng)力過高， 或溫差變化過大的情況，避免裙座與塔殼的連接焊縫處產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，造成破壞。 。5.裙座上部排氣孔、排氣管 裙座上部應(yīng)均勻設(shè)置排氣孔； 當(dāng)裙座與封頭拼接焊縫處有缺口時，可不設(shè) 裙座有保溫或防火層時，應(yīng)設(shè)置排氣管。 規(guī)格、數(shù)量及尺寸見表74、表75。6. 地腳螺栓座 （1）結(jié)構(gòu)1： 由基礎(chǔ)環(huán)、筋板、蓋板和墊板組成，結(jié)構(gòu)如圖所示， 該結(jié)構(gòu)適用于予埋地腳螺栓和非予埋地腳螺栓的情況。 尺寸可參照標(biāo)準(zhǔn)釋義表3-2。（2）結(jié)構(gòu)2：中央地腳螺栓座結(jié)構(gòu)， 地腳螺栓中心圓直徑小，用于地腳螺栓數(shù)量較少，需予埋。 對塔高較小的塔式容器，地腳螺栓座可簡化成單環(huán)板結(jié)構(gòu)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；缺點：地腳螺栓座整體強度不足。 尺寸可參照標(biāo)準(zhǔn)釋義表3-3。7. 殼體、裙座上要考慮的其他結(jié)構(gòu) 檢查孔分圓形和長圓形兩種；（7.7） 引出孔引出管、加強管及支承板；（7.6） 排凈孔 保溫支撐圈 裙座過渡段裙座與封頭連接部分材料與封頭相同（封頭材料為低溫用鋼、不銹鋼、鉻鉬鋼以及高溫、低溫時，可參見有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）8. 吊柱及吊耳： （1）吊柱：根據(jù)需要，可在塔頂設(shè)置吊柱。（7.9.1） 目的：為方便的安裝和拆卸內(nèi)件、填料等； 吊柱選用的標(biāo)準(zhǔn)：HG/T 21639塔頂?shù)踔?安裝位置：應(yīng)滿足吊柱中心線與人孔中心線有合適的夾角。 （2）吊耳：吊耳的結(jié)構(gòu)、位置及數(shù)量應(yīng)按吊裝方式和塔式容器的質(zhì)量確定。（7.9.2） 目的：整體吊裝； 吊耳選用的標(biāo)準(zhǔn)， HGT 21574-2008 ； 計算：吊耳計算、殼體局部應(yīng)力計算等。三、計算： 1.計算內(nèi)容： （1） 塔式容器的計算： 自振周期 地震載荷水平地震力和垂直地震力； 風(fēng)載荷順風(fēng)向風(fēng)振和橫風(fēng)向風(fēng)振； 塔的撓度計算等四部分。 自振周期用作地震載荷計算； 地震載荷、風(fēng)載荷用作截面彎矩計算； （2）應(yīng)力校核： 殼體軸向應(yīng)力校核； 裙座殼軸向應(yīng)力校核； 地腳螺栓座計算； 裙座與塔殼連接焊縫校核； 塔體法蘭當(dāng)量設(shè)計壓力等。 除JB/T 4710 中的計算外，還需要： 按GB150進(jìn)行的筒體、封頭、開孔補強計算等； 局部應(yīng)力計算； 填料支撐粱、柵板等強度計算等。（2）計算時所需準(zhǔn)備計算條件： 1）工藝必要的給定條件 2）塔設(shè)備設(shè)置地區(qū)的自然條件 地震設(shè)防烈度只考慮79度； 設(shè)計地震加速度對應(yīng)0.10.4g； 設(shè)計地震分組分一、二、三組； 可按GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范 場地土類別分、四類； 基本風(fēng)壓值 可按GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范 基本風(fēng)壓值取所在地10m高度50年一遇10min最大平均風(fēng)速為基本風(fēng)速；基本風(fēng)壓值計算公式： 地面粗糙度分A、B、C、D四類； 3）塔體的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度，塔體（包括封頭）材料及厚度附加量，裙座材料及厚度附加量，塔殼焊接接頭系數(shù)，塔體與裙座的焊接結(jié)構(gòu)等； 4）計算需要的質(zhì)量（最小、操作及最大重量）； 5）確定危險截面位置；一般來說，危險截面為： a. 塔器裙座底截面。 b. 裙座上開設(shè)人孔、引出管孔的中心位置截面。 c. 塔器筒體與裙座對接焊縫（或搭接）處截面。 d. 塔體等直徑筒節(jié)上筒體壁厚變化處截面。 e. 塔體筒體直徑變化的截面。6）對塔體進(jìn)行分段： 在作自振周期、地震載荷計算中分段與質(zhì)量的不均勻變化有關(guān)； 作風(fēng)載荷計算時分段方法可不同于前者，分段越多，就越接近于實際的風(fēng)載荷分布情況，塔體分段原則為： a. 危險截面處必須分段； b. 每一段幾何形狀沒有突變，每一段應(yīng)是一個幾何連續(xù)體。如直徑、壁厚相等的圓筒，半頂角不變的錐殼。 c. 每一段的剛度連續(xù)，即要求分段的殼體厚度相等。 d. 每一段質(zhì)量分布沒有突變，如筒體中有一定液位，氣液分界面必須分開。2. 自振周期（1） 名詞術(shù)語： 自由度：指振動過程中任何瞬時都觸完全確定系統(tǒng)在空間的幾何位置所需的獨立坐標(biāo)數(shù)目。 振型： 振動時任何瞬間各點位移之間的相對比值，即整個體系具有的確定的振動形態(tài)。一般取前三個振型，如下圖所示。 自振周期： 設(shè)備以某固有頻率作自由振動時的振動周期稱為自振周期。（2） 模型的簡化： 簡化成一端自由、一端固定的臂梁，做平面彎曲振動，對等直徑、等壁厚的塔式容器，按彈性連續(xù)體公式計算。不等直徑或不等壁厚的塔式容器按多自由度體系進(jìn)行計算，方法： a) 首先將各段的分布質(zhì)量聚縮成集中質(zhì)量； b) 利用機(jī)械觸守恒定律，并近似地給出振型函數(shù)，即可得到自振周期公式， c) 一般僅限于基本振型，原因：二、三振型函數(shù)難以確定。（3）高振型計算：（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定H/D15,且H20m時） 按附錄B計算，對等直徑、等壁厚的塔式容器，可近似?。?T2=1/6T1 T3=1/18T1 （4） 自振周期的計算： 對等直徑、等壁厚的塔式容器 解析法計算中把塔視為質(zhì)量均勻的懸壁梁作無阻尼自由振動，單自由度體系的自振周期 m 質(zhì)點的質(zhì)量； y頂端作用單位力時的撓度，為體系的柔度，對塔式容器： 帶入上式得出等直徑等厚度的塔式容器自振周期公式 （85） 自振周期值隨設(shè)備的質(zhì)量和高度增加而增大 對于直徑、厚度或材料沿高度變化的塔式容器視為一個多質(zhì)點體系。 其基本自振周期式：其中截面慣性矩： 圓筒段 圓錐段3. 地震載荷計算： （1）水平地震力計算： 計算公式 （86） 1 為地震影響系數(shù)，設(shè)計時可利用反應(yīng)譜曲線查?。?1k 振型參與系數(shù)； mk 質(zhì)點質(zhì)量； g 重力加速度； 系數(shù)： 衰減系數(shù) 斜率調(diào)整系數(shù) 阻尼調(diào)整系數(shù) 地震載荷設(shè)計參數(shù)： （1）地震設(shè)防烈度： 烈度某一地區(qū)地面各類結(jié)構(gòu)物和建筑物宏觀破壞程度。 基本烈度指在一定期限內(nèi)，一個地區(qū)可能普遍遭遇到的最大烈度，目前為50年超越概率為10%的烈度。 設(shè)防烈度按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。 （2）設(shè)計地震加速度： 地震時地面運動的加速度 （3）設(shè)計地震分組： 表征地震震級及震中距影響與場地特征周期與峰值加速度有關(guān)的參量。 （4）場地土類別： 抗震設(shè)防目標(biāo)： 當(dāng)遭遇到多遇地震時，塔式容器處于正常使用狀態(tài)（工作狀態(tài)是彈性狀態(tài)）； 遭遇到相當(dāng)于基本烈度時，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑狀態(tài); 遭遇到罕遇地震時，應(yīng)能夠控制其變形，避免倒塌 。（2） 垂直地震力計算： 任意質(zhì)量處的垂直地震力 任意計算截面的垂直地震力 在設(shè)防烈度為八度和九度地區(qū)應(yīng)考慮垂直地震力作用（2） 垂直地震力計算： 塔式容器底截面處總的垂直地震力 垂直地震影響系數(shù) 塔式容器當(dāng)量質(zhì)量（3） 地震彎矩： 任意計算截面基本振型的地震彎 高振型塔式容器任意計算截面的地震組合彎矩 （ H / D 15，且高度大于等于20m時）。3. 風(fēng)載荷計算：（1） 順風(fēng)向水平風(fēng)力的計算 計算公式 （817） 體型系數(shù) 風(fēng)作用在物體表面上所引起的實際壓力與風(fēng)速度壓的比值 對圓截面K1=0.7，平面K1=1.4 風(fēng)振系數(shù) 基本風(fēng)壓值 風(fēng)壓當(dāng)風(fēng)以一定速度運動時，垂直于風(fēng)向的平面上所有受到的壓力。 基本風(fēng)壓風(fēng)載荷的基準(zhǔn)壓力，按我國荷載規(guī)范規(guī)定為十米高度處五十年一遇十分鐘的最大平均風(fēng)速，再考慮空氣密度按公式計算得出；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 風(fēng)壓高度變化系數(shù) 任意高度處風(fēng)壓與10米高度處的風(fēng)壓之比，與高度和地面粗糙度有關(guān)：地面粗糙度風(fēng)在到達(dá)結(jié)構(gòu)以前吹越過2公里范圍內(nèi)的地面時，描述地面上不規(guī)則障礙分布狀況等級 與風(fēng)振有關(guān)的系數(shù) 順向風(fēng)水平風(fēng)力的計算公式： 其中第一項為平均風(fēng)壓的靜力作用； 第二項為脈動風(fēng)壓的動力作用； 兩項合并后，令 形成（817） 脈動增大系數(shù)脈動風(fēng)作用產(chǎn)生的振幅與脈動載荷以靜力方式作用產(chǎn)生位移之比；（表84） 式中： 脈動影響系數(shù)反映脈動風(fēng)壓沿高度變化及其空間相關(guān)性系數(shù)，與高度和地面粗糙度類別有關(guān)； 振型系數(shù)與計算截面距地面高度和塔總高有關(guān)的系數(shù)； 計算段有效直徑 當(dāng)籠式扶梯與塔頂管線成180o時： 當(dāng)籠式扶梯與塔頂管線成90o時： 取大值（2） 橫風(fēng)向風(fēng)振計算（附錄A） 當(dāng)H/D15且H30m時，還應(yīng)計算橫風(fēng)向風(fēng)振。（8.5.3） 橫風(fēng)向風(fēng)振產(chǎn)生原因 氣流繞過圓截面柱體時，壓強和速度產(chǎn)生變化， 形成卡曼渦街效應(yīng)，并給柱體一個橫向推力，使柱 體沿垂直于風(fēng)的流動方向上產(chǎn)生振動。 計算步驟 1）計算臨界風(fēng)速 （塔共振時的風(fēng)速） 計算塔頂設(shè)計風(fēng)速 2）判別是否產(chǎn)生共振 vvc1 不需考慮塔器共振 vc1vvc2 必須考慮第一振型振動 vvc2 考慮第一、二振型振動。 3）計算塔體共振時橫風(fēng)向塔頂振幅和塔體彎矩（3） 風(fēng)彎矩 順風(fēng)向水平風(fēng)力產(chǎn)生的計算截面彎矩 塔體共振時組合風(fēng)彎矩（A.6） 取大值4、最大彎矩計算：四、應(yīng)力校核（設(shè)計） 1. 圓筒形塔體軸向應(yīng)力校核 軸向應(yīng)力 由內(nèi)壓或外壓引起 由重力及垂直地震力引起 由彎矩引起的軸向應(yīng)力 最大組合拉應(yīng)力 內(nèi)壓容器 外壓容器 最大組合壓應(yīng)力 內(nèi)壓容器 外壓容器 許用軸向壓應(yīng)力 注：1. 計算壓力取絕對值； 2. 垂直地震力僅在最大彎矩為地震彎矩計入； 3. 圓錐形筒體計算與圓筒相似，考慮cos。 2. 壓力試驗時的應(yīng)力校核 圓筒應(yīng)力 由試驗壓力引起 由重力引起 由彎矩引起 軸向拉應(yīng)力 液壓試驗時 氣壓試驗時 軸向壓應(yīng)力 許用軸向壓應(yīng)力 3.裙座殼軸向應(yīng)力校核 （1）裙座殼底截面的應(yīng)力 操作工況： 液壓試驗： （2）裙座殼檢查孔截面 操作工況： 液壓試驗工況： 4.地腳螺栓座應(yīng)力校核 （1）計算元件 基礎(chǔ)環(huán)（無筋板、有筋板） 筋板 蓋板（分塊、環(huán)形） 地腳螺栓 （2）基礎(chǔ)板的計算 由重力和彎矩共同引起的壓應(yīng)力； 承壓面積、厚度； 混凝土的壓應(yīng)力；（8.12.1）（3）地腳螺栓 地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力 拉應(yīng)力小于等于0，地腳螺栓起固定作用； 拉應(yīng)力大于0，應(yīng)校核數(shù)量、根徑； （4）筋板 按壓桿計算； （5）蓋板 螺栓力作用下的 受彎曲載荷的板； 5. 裙座與塔殼焊縫的應(yīng)力校核 搭接焊縫的剪應(yīng)力 對接焊縫的拉應(yīng)力 6. 塔體連接法蘭的當(dāng)量壓力7、塔頂撓度計算：（附錄C） 計算方法： 等直徑且等壁厚 等直徑不等壁厚 不等直徑不等壁厚 撓度的控制值： JB/T 4710 : 按工程設(shè)計要求確定； SH 3098、HG 20652: DN1000mm時，YDH/100; 1000mm2000mm時，YDH/200； 美國埃索公司 H/160 伯克托公司 H/170 美國科學(xué)設(shè)計公司、凱洛格公司 H/200 西德伍德公司 填料塔 H