(最新整理)塔设备课程设计
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(完整)塔设备课程设计
编辑整理：
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目录
设计任务书。
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参考数据。
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.. (3)
一、塔体的设计条件。
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.4
二、按计算压力计算塔体和封头的厚度..。
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(5)
三、塔设备质量载荷计算.。
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6
四、风载荷与风弯矩计算....。
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10
五、地震载荷计算.....。
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.15六、偏心弯矩计算.。
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七、各种载荷引起的轴向应力。
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17
八、筒体和裙座危险截面的强度性校核....。
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20
九、塔体水压试验和吊装时的应力校核。
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(24)
十、基础环设计。
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十一、地脚螺栓计算...。
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塔的机械设计结果。
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.30主要符号说明。
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参考文献..。
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33
塔设备设计任务书
一、设计内容
1、根据操作条件选择塔体、裙座材料；
2、塔设备机械设计；
3、塔设备结构设计;
4、编写设计计算说明书,主要内容：
①目录;
②设计任务书;
③设计方案的确定，包括材料选择、塔设备结构设计等;
④塔设备机械设计过程;
⑤设计小结；
⑥参考资料;
⑦附图：
总装图(单溢流）
塔盘板结构示意图；
塔板连结结构示意图;
塔盘支撑结构示意图（单溢流);裙座与塔体焊缝结构图;
设计参考数据
23加速度: 0.2g ；
4、塔内装有46层浮阀塔盘，每块塔盘上存有介质高度为
100w h mm =，介质密度为31/830m kg =ρ
5、沿塔高每5m 左右开设一个人孔，人孔数为6个，相应在人孔处安装的
半圆形平台为6个，平台宽度B=800mm ，高度为1000mm: 6、塔外保温层厚度mm s 115=δ,保温材料密度
为32/320m kg =ρ
7、塔体与裙座间悬挂一再沸器,其操作质量为kg m e 3600=,偏心距e=2000mm ； 8、塔体在200℃的条件下工作,介质无明显腐蚀，筒体与封头材料选Q345R ，
裙座材料选用Q235—B,材料的有关性能参数如下：
Q345R MPa MP t 345 9MPa,81][ a,183][s ===σσσ MPa E 51091.1⨯= Q235—B MPa MPa MPa s t
235,113][,113][===σσσ；
9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数0.85ϕ
=；
10、塔体与封头厚度附加量C=2mm,裙座厚度附加量C=2mm 。
二、按计算压力计算塔体和封头厚度 1、塔体厚度计算 mm P D P c t
i c 74.72
.185.018322000
2.1][2=-⨯⨯⨯=-=
ϕσδ 考虑厚度附加量C=2mm,经圆整后取mm n 12=δ 2、封头厚度计算
mm P D P c t
i c 73.72
.15.085.018322000
2.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-=
ϕσδ 考虑厚度附加量C=2mm ，经圆整后取mm n 12=δ。
三、塔设备质量载荷计算
1、筒体圆筒、封头、裙座质量01m
圆筒质量： kg m 1442921.245961=⨯= 封头质量： 24382876m kg =⨯= 裙座质量： kg m 182406.35963=⨯= kg m m m m 1712918248761442932101=++=++=
说明:（1）塔体总高度m H H 21.2404.0206.365.00=⨯---=； (2）查的DN2000mm ，厚度12mm 的圆筒质量为596kg/m ；
（3） 查的DN2000mm,厚度12mm 的椭圆形封头质量为438kg/m （封头曲面深度500mm ，直边高度40mm ）； （4）裙座高度3060mm ，厚度按12mm 计. 2、塔内构件质量02m
kg D m i 1083346752785.046754
22
02=⨯⨯⨯=⨯⨯=
π
(浮阀塔盘质量752/kg m ） 3、保温层质量03m
kg
m H D D m n i s n i 6214320)18.154.1(232021.24])012.022()115.02012.022[(785.02])2()22[(4
22'
03202203=⨯-+⨯⨯⨯+-⨯+⨯+=++-++=
ρδδδπ 其中，'
03m 为封头保温层的质量，kg
4、平台、扶梯质量04m
22041
[(222)(22)]42
i n s i n s P F F m D B D nq q H π
δδδδ=
+++-+++ kg
453210803452274015065.0])115.02012.022()8.02115.02012.022[785.022=+=⨯+⨯⨯⨯⨯+⨯+-⨯+⨯+⨯+⨯=
说明：由表8-1查得平台单位面积质量2150/P q kg m =,笼式扶梯单位长度质量40/F q kg m =；笼式扶梯总高m H F 27=,平台数量为6；平台宽度B=800mm.
5、操作时物料质量05m
kg
V h D N h D m f i w i 1765983018.18308.14785.0830461.04785.04
41
102
12
05=⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=++
=
ρρπ
ρπ
说明：物料密度31/830m kg =ρ,封头内容积31.18f
V m =，塔釜圆筒部分深度
m h 8.10=，塔板数
N=46，塔板上液层高度0.1w h m =.
6、 附件质量a m
按经验取附件质量为
kg m m a 42821712925.025.001=⨯==
7、充水质量为w m kg V H D m w f w i w 78379100018.12100021.242785.024
202=⨯⨯+⨯⨯⨯=+=
ρρπ
其中31000/w kg m ρ= 8、各种质量载荷汇总
将全塔分为6段，计算各质量载荷（计算中近似）
全塔操
作质量
kg
m m m m m m m m e
a 64250360042821765945326214108331712905040302010=++++++=++++++= 全塔最小质量
kg
m m m m m m m e
a 379243600428245326214108332.0171292.0040302min 01=++++⨯+=+++++= 水压试验时最大质量
kg
m m m m m m m m e
w a 1249693600
78379428245326214108331712904030201max =++++++=++++++=四、风载荷与
风弯矩计算 1、风载荷计算示例
以2～3段为例计算风载荷3P
)(10633302313N D l f q K K P e -⨯=
式中：
1K ——体形系数，对圆筒形容器，7.01=K 0q --10m
高处基本风压值，20/600m N q =
3f ——风压高度变化系数，查表8—5得=3f 1。
00
3l ——计算段长度，mm l 70003=
3v —-脉动影响系数,由表8-7得:=3v 0。
72
1T -—塔的基本自振周期，对等直径、等厚
度得圆截面塔： 33
011033.90-⨯=i
e D E H
m H T δ
)
(8678.010
2000101091.128000642502800033.903
3
5s =⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=- ξ-—脉动增大系数，根据自振周期1T ，由
表8-6查的:=ξ2。
27
3z φ——振型系数，由表
8—8得:=3z φ0.19
23K ——风振系数
311.100
.119
.072.027.2113
3
323=⨯⨯+=+
=f v K z φξ
3e D ——塔的有效直径。
设笼式扶梯与塔顶管线成
90°，取下a 、b 中较大者.
30334.2e i s a D D K K δ=+++ 30340.22e i s ps b D D K d δδ=++++
mm K 4003=，mm d 4000=，mm ps s 1153==δδ
)(4577000
1000
8002223
4mm l A K =⨯⨯⨯=
=
∑ a.)(3111457400115220243mm D e =++⨯+=
b 。
)(3341230457400115220243mm D e =+++⨯+= 取mm D e 33413=
)
(1287710334170001600311.17.01066
33302313N D l f q K K P e =⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-- 2、各段塔风载荷计算结果
3、风弯矩计
算 0-0截面：
⎝
⎛
+=-2211
0P l P M w
500728+
⨯= (⨯++1
15889)3500
600
70002000+++==.
11656453500 1-1截面：
⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+++++⋯+⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-22265432632322
1
1l l l l l P l l P l P M w ()
30007000200015889)35002000(1287710001648++⨯++⨯+⨯=
()30006000600070002000(34231)300060007000200026715++++⨯++++⨯+
mm N ⋅⨯==910565.11565373500
2—2截面:
⎪⎭⎫ ⎝
⎛++++⋯+⎪⎭⎫ ⎝⎛
++=-2226543643433
22l l l l P l l P l P M w )300060007000(26715)30007000(15889350012877++⨯++⨯+⨯=
)3000600060007000(34231+++⨯+ mm N ⋅⨯==910384.11384481500 五、地震载荷计算
取第一振型阻尼比为02.01=ξ 则衰减指数95.002
.055.002
.005.09.0=⨯+-+
=γ
=1T 0。
8678
塔的总高度 H=28000mm 全塔操作质量 =0m 64250kg 重力加速度 29.81/g m s = 地震影响系数12max 1
(
)g T l T γαηα=
由表8—2查的16.0max =α（设防烈度8级） 由表8-3查的40.0g =T 319.102.07.106.002
.0050.017.106.005.01112=⨯+-+=+-+
=ξξη
1011.0116.0319.18678.04.095
.0max 21
1=⨯⨯⨯⎪
⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=l T
T g
αηαγ
计算截面距地面高度h ： 0—0截面：h=0 1-1截面：h=1000mm 2—2截面：h=3000mm
等直径、等厚度的塔,=i D H /28000/2000=14，
按下列方法计算地震弯矩。
0—0截面：
mm N gH m M E ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==-8010
0'10156.82800081.9642501011.035
1635
16α 1—1截面：
)41410(17585.35.25.35
.2011
1'h h H H H
g
m M E +-=
-α
1000280001428000
10(28000
17581.9642501011.085.25
.35
.2⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=
)100045.3⨯+mm N ⋅⨯=810749.7
2-2截面:
)41410(17585
.35.25.35
.20122'h h H H H
g m M E +-=
-α
3000280001428000
10(28000
17581.9642501011.085.25
.35
.2⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=
)300045.3⨯+ mm N ⋅⨯=810934.6
六、偏心弯矩计算
mm N ge m M e e ⋅⨯==⨯⨯==710063.770632000200081.93600
七、各种载荷引起的轴向应力 1、计算压力引起的轴向压应力1σ
MPa D P e i c 6010
42
.1200041=⨯⨯==
δσ
其中mm C n e 10212=-=-=δδ
2、操作质量引起的轴向压应力2σ
0—0截面：
MPa D g m A g m es is sb 04.1010
200014.381.964250000000002
=⨯⨯⨯===---δπσ
裙座的有效厚度mm C n es 10212=-=-=δδ 1—1截面：
MPa A g m sm 62.1058630
81
.963465110112
=⨯-==--σ
其中，kg m 63465785642501
10=-=-，sm A 为人孔截面的截面积，查相关标准得：
258630mm A sm =
2—2截面:
MPa D g m e i 93.910
200014.381.982.63556220222
=⨯⨯⨯==--δπσ
其中，kg m 59933353278564250220=--=- 3、最大弯矩引起的轴向应力3σ
0-0截面
MPa S D M Z M es is sb 00.55102000785.01027.174
2
82
00max 00max 003
=⨯⨯⨯===---πσ
其中，最大弯矩i
i M -max 取下式计算值中较大者: ⎪⎩
⎪⎨⎧⋅⨯=⨯+⨯+=++=⋅⨯=⨯+=+=-----mm N M M M M mm N M M M e w E e w 880
0000
0max 880000max 1000.1310)7063.056.1625.0156.8(25.01027.1710)7063.056.16( 1-1截面：
MPa Z M sm 11.5927677000
1036.16811max 113
=⨯==--σ
式中sm Z ——裙座人孔截面的抗弯截面系数。
查相关标准得：
sm Z =276770003mm
其中，最大弯矩i
i M -max 取下式计算值中较大者： ⎪⎩
⎪⎨⎧⋅⨯=⨯+⨯+=++=⋅⨯=⨯+=+=-----mm N M M M M mm N M M M e w E e w 88
11111
1max 881111max 1037.1210)7063.065.1525.0749.7(25.01036.1610)7063.065.15( 2-2截面：
MPa D M Z M e i 34.46102000785.01055.144
2
8222max 22max 223
=⨯⨯⨯===---δπσ
其中，最大弯矩i
i M -max 取下式计算值中较大者: ⎪⎩⎪⎨⎧⋅⨯=⨯+⨯+=++=⋅⨯=⨯+=+=-----mm
N M M M M mm N M M M e w E e w 8
8
22222
2max 882222max 1010.1110)7063.084.1325.0934.6(25.01055.1410)7063.084.13(
八、筒体和裙座危险截面的强度性校核 1、筒体的强度与稳定性校核
2-2截面：
筒体危险截面2—2处的最大组合轴向拉力2
2max -组拉σ: MPa 41.9634.4693.9602
23222
122max =+-=+-=---σσσσ组拉
[]Mpa K Mpa 7.18641.96t 2
2max =<=-φσσ组拉
因为[]φσσt K <-2
2max 组拉
,故满足强度条件。
其中，轴向许用应力：[]MPa K 7.18685.01832.1t =⨯⨯=φσ 2、塔体与裙座的稳定性校核
2—2截面：
筒体危险截面2—2处的最大组合轴向压力22max -组压σ： MPa 27.5634.4693.922322222max =+=+=---σσσ组压
许用轴向压应力:[][]⎩
⎨⎧=t
Cr
K KB
σσ 取其中较小值。
按GB-150 钢制压力容器中的规定，由
00094.010
/1000094
.0/R 0.094A i ===
e δ 查相应的材料图（Q345R,200C 0)得B=115Mpa ， []Mpa t 183=σ
则[]⎩⎨
⎧=⨯==⨯=MPa
K MPa KB t
6.2191832.11381152.1σ，取[]2.1,138==K MPa Cr σ.
因为[
]Mpa Mpa cr 13827.562
2max =<=-σσ组压，故满足稳定性条件。
1-1截面：
塔体1-1处的最大组合轴向压应力
MPa 73.6911.5962.10113
11211max =+=+=---σσσ组压
由 00094.010
1000094
.0/R 0.094A is ===
es
δ 查相应的材料图（Q235-B ，200C 0）得MPa B 5.107= ,[]Mpa t 113=σ,
K=1.2。
则[][]⎩⎨⎧===MPa
K MPa KB t
cr
6.135129σσ，取[]MPa cr 129=σ。
因为，[
]Mpa Mpa cr 12973.691
1max =<=-σσ组压，故满足稳定性条件。
0-0截面
塔体0-0处的最大组合轴向压应力
MPa 04.6500.5504.1000300200max =+=+=---σσσ组压因为，[
]Mpa Mpa cr 12904.6500max =<=-σσ组压,故满足稳定性条件
各危
险截面强度与稳定校核汇总
九、塔体水压试验和吊装时的应力校核 1、筒体水压试验时各种载荷引起的应力
(1）由试验压力和液柱静压力引起的环向应力σ
()()10
210200028.05.12)((⨯+⨯+=
++=
ei ei i t T D P δδσ液柱静压力） MPa 9.178= [][]MPa P
p t
T
549.11831892.125.125.1=⨯⨯==σσ
液柱静压力)(28.0281000MPa H =⨯≈=γ
(2)由试验压力引起的轴向拉应力1σ
MPa D P ei i T 46.7710
42000
549.141=⨯⨯==
δσ (3）最大质量引
起的轴向压应力2σ
MPa D g m e i 52.1910
200014.381.912496922max 2
22
=⨯⨯⨯==--δπσ
（4）由弯矩引起的轴向应力3σ
MPa S D M M ei
i e
W 47.1510
2000785.0107063.01084.133.04
3.028
822
2223
=⨯⨯⨯+⨯⨯=+=
--π
σ
2、水压试验应力校核
(1）筒体环向应力校核
MPa s 9.26385.03459.09.0=⨯⨯=φσ
因为Mpa Mpa s T 9.2639.09.178=<=φσσ，故满足要求。
（2)最大组合轴向拉应力校核
MPa 41.7347.1552.1946.772
23222
122max =+-=+-=---σσσσ组拉
许用应力:MPa S 9.26385.03459.09.0=⨯⨯=φσ
因为Mpa Mpa 9.2630.941.73s 2
2max =<=-φσσ组拉，故满足要求.
(3)最大组合轴向压应力校核
MPa 99.3447.1552.192232-22
22max =+=+=--σσσ组压
轴向许用压应力 []⎩⎨
⎧=KB
s
cr σσ9.0 取其中较小值。
⎩
⎨
⎧=⨯==⨯=MPa KB MPa
s 1381152.15.3103459.09.0σ, 取[]MPa cr 138=σ。
因为[
]Mpa Mpa cr 13899.342-2max =<=σσ组压,故满足要求。
十、基础环设计 1、基础环尺寸
取 mm D D is ob 23003002000300=+=+= mm D D is ib
17003002000300=-=-=
2、基础环的应力校核
取其中较大值，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=--b b e w b b b A g
m Z M M A g m Z M max 00000max max
3.0σ ()()
38444410376.82300321700230014.332mm D D D Z ob ib ob b ⨯=⨯-=-=π ()()22222
188400017002300785.04mm D D A ib ob b =-⨯=-=π (1）
Mpa A g m Z M b o b b 396.21884000
81.96425010376.81027.178800max max =⨯+⨯⨯=+=-σ （2)888max 00max
10376.8107063.01056.163.03.0⨯⨯+⨯⨯=++=-b b e W b A g m Z M M σ Mpa 328.11884000
81.9124969=⨯+ 取MPa b 396.2max =σ
选用75号混凝土，其许用应力a 5.3MP R a
=,故满足要求。
3、基础环厚度
按有筋板时,计算基础环的厚度b δ。
()()mm D D b es is ob 140202000230021221=--=--=δ 设地脚螺栓直径为M42，由表8-11查得l=160mm,
则b/l=140/160=0.88,由表8—10查得
mm N b M b x ⋅-=⨯⨯-=-=6960140396.21482.01482.022max σ
mm N l M b y ⋅=⨯⨯==5201160396.20848.00848.022max σ。
取mm N M M x s ⋅==9.6253,基础环材料（Q245R ）的许用应力[]MPa b 133=σ，C=3mm ，基础环厚度 []mm C M b s b 72.203133
696066=+⨯=+=σδ，取mm b 21=δ.
十一、地脚螺栓计算
1、地脚螺栓承受的最大拉应力 取其中较大值，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-++-+=---b b e w E b b e w B A g
m Z M M M A g m Z M M 00000min 0025.0σ
其中，kg m 37924min =
mm N M E ⋅⨯=-80010156.8
mm N M w ⋅⨯=-8001056.16
kg m 642500=
3810376.8mm Z b ⨯=
21884000mm A b =
(1） b
b e W B A g m Z M M min 00-+=-σ Mpa 864.11884000
81.93792410376.8107063.01056.16888=⨯-⨯⨯+⨯= （2)b
b e W E B A g m Z M M M 0000025.0-++=--σ 1884000
81.96425010376.8107063.01056.1625.010156.88888⨯-⨯⨯+⨯⨯+⨯= MPa 218.1= 取其中较大值，Mpa B 864.1=σ
2、地脚螺栓的螺纹小径
因为0>B σ，故此塔设备必须安装地脚螺栓。
选取螺栓材料30CrMoA ，螺栓个数为n=28，[]Mpa bt 150=σ，C=3mm 。
[]mm C n A d bt b B 64.3531502814.31884000864.1441=+⨯⨯⨯⨯=+=σπσ
取地脚螺栓为M42。
由表8-12查得M42的螺纹小径d=37。
129mm ，故选
用28个M42的地脚螺栓，满足要求。
塔的机械设计结果
主要符号说明
sm
A 裙座人孔处截面的面积，2
mm
sm
Z裙座人孔处截面的抗弯截面系数,3
mm
is
D裙座壳底部内直径，mm
es
δ裙座壳有效壁厚,mm
im
D裙座人孔截面处裙座壳的内直径，mm
m b
裙座人孔截面处水平方向的最大宽度,mm m l 人孔或较大管线引出孔加强管的长度，mm
m δ 人孔或较大管线引出孔加强管的厚度，mm
ei D 塔计算段的有效直径,mm
ib D 基础环内直径，mm
ob D 基础环外直径，mm
os D
裙座大端外直径,mm E 设计温度下材料的弹性模量，MPa
i f 风压高度变化系数
H 塔的总高度，mm
it H
塔第i 段顶截面距地面的高度，m i i E
M - 塔第i-i 截面处的地震弯矩，mm N ⋅ i i E
M - 塔第i-i 截面处的最大弯矩，mm N ⋅ i i E M - 塔第i-i 截面处的风弯矩，mm N ⋅
max m 塔的最大质量，kg
min m 塔的最小质量，kg
0m 塔的操作质量，kg
i i m -0 计算截面以上的操作质量，kg
c p 计算压力，MPa
i P 塔i-i 计算段的水平风力，MPa
0q 基本风压值，2/m N
1T 塔的基本自振周期，s
1α 对应1T 的地震影响系数
α地震影响系数的最大值
max
δ管线保温层厚度，mm
ps
ζ脉动增大系数
ν脉动影响系数
i
σ由计算压力引起的轴向应力，MPa
1
σ由重力引起的轴向应力，MPa
2
[]tσ设计温度下筒体材料的许用应力，MPa
[]
σ设计温度下材料的许用轴向压应力，MPa
er
[]t
σ设计温度下裙座材料的许用应力，MPa
s
φ振型系数
zi
参考文献
［1］路秀林，王者相. 化工设备设计全书塔设备［M]。
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［2］陈作模。
机械原理［M］。
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化工设备机械基础［M]。
大连：大连理工大学出版社，2005。
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化工单元过程及设备课程设计［M]。
北京：化学工业出版社,2005。
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