塔设备强度设计计算模板

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塔设备计算实例讲解

《化工设备设计基础》课程设计计算说明书学生姓名：学号：所在学院：专业：设计题目：指导教师：2006 年月日目录一.设计任务书 (2)二.设计参数与结构简图 (4)三.设备的总体设计及结构设计 (5)四.强度计算 (7)五.设计小结 (13)六.参考文献 (14)一、设计任务书1、设计题目根据《化工原理》课程设计工艺计算内容进行填料塔（板式塔）设计。

各个同学按照自己的工艺参数确定设计题目：填料塔（板式塔）DNXXX设计。

设计题目：例：精馏塔（DN1800）设计2、设计任务书2.1设备的总体设计与结构设计（1）根据《化工原理》课程设计，确定塔设备的型式(填料塔、板式塔)；（2）根据化工工艺计算，确定塔板数目(或填料高度)；（3）根据介质的不同，拟定管口方位；（4）结构设计，确定材料。

2.2设备的机械强度设计计算（1）确定塔体、封头的强度计算。

（2）各种开孔接管结构的设计，开孔补强的验算。

（3）设备法兰的型式及尺寸选用；管法兰的选型。

（4）裙式支座的设计验算。

（5）水压试验应力校核。

2.3完成塔设备装配图（1）完成塔设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。

（2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。

3、原始资料3.1《化工原理》课程设计塔工艺计算数据。

3.2参考资料：[1] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，2003.[2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]．[3] GB150-1998.钢制压力容器[S]．[4] 郑晓梅.化工工程制图化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002.[5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S]．4、文献查阅要求设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。

5、设计成果1、提交设计说明书一份。

2、提交塔设备(填料塔、板式塔)装配图一张(A1)。

二. 设计参数与结构简图1、设计参数本课程设计的工艺条件由化工原理课程设计计算而得。

塔设备机械设计说明

第一章绪论1.1塔设备概述塔设备是石油、化工、轻工等各工业生产中仅次与换热设备的常见设备。

在上述各工业生产过程中，常常需要将原料中间产物或粗产品中的各个组成部分（称为组分）分离出来作为产品或作为进一步生产的精制原料，如石油的分离、粗酒精的提纯等。

这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，有时还伴有传热和化学反应过程。

传质过程是化学工程中一个重要的基本过程，通常采用蒸馏、吸收、萃取。

以及吸附、离子交换、干燥等方法。

相对应的设备又可称为蒸馏塔、吸收塔、萃取塔等。

在塔设备中所进行的工艺过程虽然各不相同，但从传质的必要条件看，都要求在塔内有足够的时间和足够的空间进行接触，同时为提高传质效果，必须使物料的接触尽可能的密切，接触面积尽可能大。

为此常在塔内设置各种结构形式的内件，以把气体和液体物料分散成许多细小的气泡和液滴。

根据塔内的内件的不同，可将塔设备分为填料塔和板式塔。

在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。

两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。

不论是填料塔还是板式塔，从设备设计角度看，其基本结构可以概括为：（1）塔体，包括圆筒、端盖和联接法兰等；（2）内件，指塔盘或填料及其支承装置；（3）支座，一般为裙式支座；（4）附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。

塔体是塔设备的外壳。

常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒及上、下椭圆形封头所组成。

随着装置的大型化，为了节省材料，也有用不等直径、不等壁厚的塔体。

塔体除应满足工艺条件下的强度要求外，还应校核风力、地震、偏心等载荷作用下的强度和刚度，以及水压试验、吊装、运输、开停车情况下的强度和刚度。

另外对塔体安装的不垂直度和弯曲度也有一定的要求。

支座是塔体的支承并与基础连接的部分，一般采用裙座。

其高度视附属设备（如再沸器、泵等）及管道布置而定。

它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，因此，应有足够的强度和刚度。

塔设备校核R201

998
塔釜液面离焊接接头的高度
mm
1500
塔板分段数
1
2
3
4
5
塔板型式
塔板层数
每层塔板上积液厚度
mm
最高一层塔板高度
mm
最低一层塔板高度
mm
填料分段数
1
2
3
4
5
填料顶部高度
mm
4500
填料底部高度
mm
3300
填料密度
kg/m3
150
集中载荷数
1
2
3
4
5
集中载荷
kg
集中载荷高度
mm
集中载荷中心至容器中心线距离
[Pw]= =1.63822
MPa
结论
合格
下封头校核计算
计算单位
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
0.23
MPa
设计温度t
60.00
C
内径Di
3000.00
mm
曲面深度hi
1000.00
mm
材料
S30408 (板材)
设计温度许用应力t
137.00
MPa
试验温度许用应力
注2:
A1:轴向最大组合拉应力A2:轴向最大组合压应力
A3:液压试验时轴向最大组合拉应力A4:液压试验时轴向最大组合压应力
:试验压力引起的周向应力
注3:单位如下
质量: kg力:N弯矩: Nmm应力: MPa
计算结果
地脚螺栓及地脚螺栓座
基础环板抗弯断面模数
mm3
2.16079e+09

T0601过程设备强度计算书

盖板厚度
mm
30
盖板宽度
mm
0
垫板
有
垫板上地脚螺栓孔直径
mm
39
垫板厚度
mm
16
垫板宽度
mm
80
基础环板外径
mm
4820
基础环板内径
mm
4420
基础环板名义厚度
mm
30
计算结果
容器壳体强度计算
元件名称
压力设计
名义厚度(mm)
直立容器校核
取用厚度(mm)
许用内压(MPa)
许用外压(MPa)
下封头
15
15
介质密度
kg/m3
909
塔釜液面离焊接接头的高度
mm
50
塔板分段数
1
2
3
4
5
塔板型式
浮阀
塔板层数
33
每层塔板上积液厚度
mm
88
最高一层塔板高度
mm
30570
最低一层塔板高度
mm
3530
填料分段数
1
2
3
4
5
填料顶部高度
mm
填料底部高度
mm
填料密度
kg/m3
集中载荷数
1
2
3
4
5
集中载荷
kg
集中载荷高度
mm
B
地震设防烈度
低于7度
设计地震分组
第一组
地震影响系数最大值max
3.28545e-66
阻尼比
0.01
塔器上平台总个数
5
平台宽度
mm
800
塔器上最高平台高度
mm

塔设备强度计算裙座基础环和螺栓计算

㈡基础环板设计1. 基础环板内、外径的确定裙座通过基础环将塔体承受的外力传递到混凝土基础上，基础环的主要尺寸为内、外直径（见下图），其大小一般可参考下式选用（4-68）式中：D ob-基础环的外径，mm；D ib-基础环的内径，mm；D is-裙座底截面的外径，mm。

2. 基础环板厚度计算在操作或试压时，基础环板由于设备自重及各种弯矩的作用，在背风侧外缘的压应力最大，其组合轴向压应力为：（4-69）式中：A b-基础环面积，mm2；W b-基础环的截面系数，mm3；（1）基础环板上无筋板基础环板上无筋板时，可将基础环板简化为一悬臂梁，在均布载荷σbmax的作用下，基础环厚度：（4-70）式中：δb-基础环厚度，mm；[σ]b-基础环材料的许用应力，MPa。

对低碳钢取[σ]b=140MPa。

（2）基础环板上有筋板基础环板上有筋板时，筋板可增加裙座底部刚性，从而减薄基础环厚度。

此时，可将基础环板简化为一受均布载荷σbmax作用的矩形板（b×l）。

基础环厚度：（4-71）式中：δb-基础环厚度，mm；M s-计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩M x、M y中绝对值较大者，M x、M y按计算，N·mm/mm。

无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16mm。

㈢地脚螺栓地脚螺栓的作用是使设备能够牢固地固定在基础底座上，以免其受外力作用时发生倾倒。

在风载荷、自重、地震载荷等作用下，塔设备的迎风侧可能出现零值甚至拉力作用，因而必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓。

塔设备在基础面上由螺栓承受的最大拉应力为：（4-72）式中：σB-地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa。

当σB≤0时，塔设备可自身稳定，但为固定塔设备位置，应设置一定数量的地脚螺栓。

当σB>0时，塔设备必须设置地脚螺栓。

地脚螺栓的螺纹小径可按式（4-73）计算：（4-73）式中：d1-地脚螺栓螺纹小径，mm；C2-地脚螺栓腐蚀裕量，取3mm；n-地脚螺栓个数，一般取4的倍数；对小直径塔设备可取n=6；[σ]bt-地脚螺栓材料的许用应力，选取Q-235-A时，取[σ]bt=147MPa；选取16Mn时，取[σ]bt=170MPa。

塔设备计算机辅助强度计算及校核

厚度。
图２材料许用应力的选取
图１简体、封头壁厚计算
需要指出的是，进行壁厚计算时需要用到设计压力，而界面中用户输入的是工作压力，设计压力的确定是根据工作压力
收稿日期：０７０ — ３２０ — ８２
图３焊缝系数的选取
起的圆筒轴向应力校核，裙座壳轴向应力校核及塔器压力试验时的应力校核。为了便于操作，本软件将塔体各危险截面的校
测比例后单击“ 确定 ” 后显示结果，并在图１所示界面自动显示查询结果。采用这种查询方式，避免了用户另外查阅资料的麻烦，给用户的操作带来了极大的方便。封头包括标准椭圆封头、锥形封头、碟形封头等型式。封头参数的确定由两种方式，一种方式是根据用户输入的参数直接由公式计算，并将结果显示在相应的文本框中。另一种是采用与确定材料许用应力相同的方式将国家标准规定的封头的相
１塔设备计算机辅助强度计算
１１简体、．封头的壁厚计算进行简体厚度计算需要先在如图１所示对话框中输入相关参数，如工作压力、简体直径等，然后单击“ 确定” 钮，按程序开始简体壁厚计算，并将计算结果显示出来。同样，单击“ 上封头 ” 下封头 ” 或“ 也可以在此界面中很方便的得到上、下封头的
作者简介：吴俊飞（９８），１６一男青岛科技大学研究生处副处长，学博士，工副教授，硕士生导师，主要研究方向：化工设备安全技术，高压技术；超
付平（９１）女，１７一，青岛科技大学机电学院，硕士，授，副教主要研究方向：计算机辅助参数化设计。

第三节塔体强度校核

（1）风压的计算）计算风压时，对于高度在10m以下的塔，按一段计算，以塔顶部以下的塔，计算风压时，对于高度在以下的塔按一段计算，的风压值作为塔设备的均布风压，对于高度超过10m的塔体，应以的塔体，的风压值作为塔设备的均布风压，对于高度超过的塔体 10m为一段分段计算，且将风力简化为作用于整段上的均布载荷。其为一段分段计算，为一段分段计算且将风力简化为作用于整段上的均布载荷。中任意计算段的风压为：中任意计算段的风压为：
Doi------塔体各计算段处的外径，m；塔体各计算段处的外径，；塔体各计算段处的外径 Do------塔顶管线外径，m；塔顶管线外径， δsi ------ 塔设备第i段保温层厚度，m；段保温层厚度， δps -------塔顶管线保温层厚度，m；塔顶管线保温层厚度， K3------笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=0.400m 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时， K4------操作平台当量宽度，m；操作平台当量宽度， ∑A------第i段内平台构件的投影面积，m2；段内平台构件的投影面积， L0------操作平台所在计算段的长度，m；操作平台所在计算段的长度，
1．正确选材．金属材料的耐腐性能，与所接触的介质有关，因此，应根据介质的特性合理选择。 2．采用覆盖层．覆盖层的作用是将主体与介质隔绝开来。常用的有金属覆盖层与非金属覆盖层。金属覆盖层是用对某种介质耐蚀性能好的金属材料覆盖在耐蚀性能较差的金属材料上。常用的方法如电镀、喷镀、不锈钢衬里等。非金属保护层常用的方法是在设备内部衬以非金属材料或涂防腐涂料。 3．采用电化学保护．电化学保护是通过改变金属材料与介质电极电位来达到保护金属免受电化学腐蚀的办法。电化学保护分阴极保护和阳极保护两种。其中阴极保护法应用较多。 4．设计合理的结构．塔设备的腐蚀在很多场合下与它们的结构有关，不合理的结构往往引起机械应力、热应力、应力集中和液体的滞留。这些都会加剧或产生腐蚀。 5．添加缓蚀剂．在介质中加入一定量的缓蚀剂，可使设备腐蚀速度降低或停止。

《塔强度设计》

震级
地震规模的大小，由地震能量决定，能量越大、震级就越大。
地震烈度
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。
基本烈度设计烈度
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。
选取塔板间距和塔高
计算塔径
塔盘布置与验算
结构设计
机械设计
六项内容中的前四项属于工艺设计
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。
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
a. 风压qi
若塔高H≤10m，以塔顶风压作为整个塔的风压；若H>10m，应从塔底每10m分为一段，按下式分段计算风压；
qi = fi qo 式中：qo ——基本风压，Pa；
fi ——风压随高度变化的系数。
①基本风压qo
qo
1 2
vo2
(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：取当大风速的平均值。
② 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。

塔机械设计数据

1400452502.667-176937.6420塔体16MnR[σ]t (Mpa)170[σ](Mpa)170σs (Mpa)裙座Q235-A [σ]t (Mpa)113[σ](Mpa)113σs (Mpa)13.040062mm 12.979614mm 1塔壳和裙座质量A 圆筒质量塔体圆筒高度H 039.86m外径D 01436mm圆筒质量m 125090.283kg B 封头质量324.61封头质量m 2649.22kgC 裙座质量锥形裙座尺寸Dis 2000mm 2m dis 1400mm1.4m裙座质量m 33813.1614kgD 塔壳和裙座质量m 0129552.664kg 2塔内构件质量75kg/m3塔内构件质量m 027966.2934kg 37388.166kg 4保温材料质量查得DN(mm )曲面高度mm直边高度140035040160040040保温材料质量m 035888.1564kg三. 塔的质量载荷计算查得DN=1400mm,壁厚18mm 的标准椭圆形封头质量由于锥角很小,故可按圆筒计算,取锥体的平均直径查得浮阀塔盘单位质量人孔,法兰,接管与附属物质量m a 一. 选择材料二. 按计算压力计算筒体和封头的壁厚塔体S 封头,采用标准椭圆封头S 加上壁厚附加量C=2mm,并名义厚度Sn6. 场地土为Ⅱ类场地土7. 支座为φ1200/ φ1800mm,高度Hs=5m 的圆8. 塔体焊接接头系数φ=0.85,塔体与裙座对接9. 塔体与封头的壁厚附加量取C=2mm,裙座厚液相介质密度 ρl(kg/m 3)机械设计课程设计理论机械设计条件塔体内径D （mm ）塔高 H(mm) 1. 每隔15个塔板左右开设一个人孔,共设5个.2. 相应人孔处安装操作平台,平台宽B=900mm 计算压力 Pc(Mpa)操作温度T(ºC)塔板数Np塔板上清液层高度h l (mm) 3. 塔体外表面保温层厚度δs=100mm,材料密度4. 塔器设置地区基本风压值q 0=500N/m 25. 地震设防烈度为7度5平台,扶梯质量m 044448.8891kg62306.4446kg7冲水质量m w 62200.102kg 8全塔操作质量m 057550.614kg 9全塔最小质量m min48871.134kg10全塔最大质量m max 117444.27kg 质量(kg) 塔段号12345圆筒质量m 1005035.6815035.685035.681封头质量m 20324.61000裙座质量m 3762.632293050.5291塔壳和裙座质量m 01762.632293375.13915035.6815035.685035.681塔内构件质量m 0200923.62821962.711847.256保温材料质量m 03058.921158.1171158.121158.117平台,扶梯质量m 0440697.77782857.7778857.778857.7778塔内物料质量m 050629.06183194.4792413.268413.2682人孔附属物质量m a 190.65807843.784791258.921258.921258.92冲水质量m w 0420.212315.041231512315.04塔段操作质量m 0993.290365604.68369428.60410686.510571.02塔段最大质量m max993.290365395.821721549.1722588.222472.8塔段最小质量m min 993.290364975.62178495.2228703.048679.948塔段长度(mm)10004000800080008000人孔,平台数01111塔板数00817162.283506s 塔的第二振型10.08地震影响系数α10.0166802H/Di=32.3214 >152确定危险截面0-0截面1-1截面3A 0-0截面M E l 0-0N*mm B 1-1截面M E l 1-1N*mm C2-2截面M E l 2-2N*mm1风力计算海边为A型1.38大连500q1A 风振系数的计算12六. 风载荷计算94334877.6塔段号计算危险截面的地震弯距97346645.0382304958.2裙座基底截面由地震设防烈度为7度, 查得αmax =由Ⅱ类场地土且结构综合影响操作时塔内物料质量m 05釜液深度h 0将全塔分为7段,各段质量载荷如下五. 地震载荷计算四. 塔的自振周期计算等直径,等厚度塔的基本自振周期T 1笼式扶梯单位质量q F3.210.2330.720.780.010.081.1 1.381.019641.135652B 有效直径D ei 的计算100mm 塔段号1234塔段长度l i 1000400080008000K 3(mm)400400400400K 4=2*∑A/l i025*******D ei (mm)2036228621612161C 水平风力计算结果如下塔段号1234K 10.70.70.70.7K 2i 1.0196364 1.135652 1.362691.592941q 0(N/m 2)690690690690f i 1.1 1.38 1.56 1.7l i (mm)1000400080008000D ei (mm)2036228621612161风力P i (N)1102.9686921.6217750.722612.082危险截面风弯距计算A 0-0截面M w 0-0N*mm B1-1截面M w 1-1N*mm C 2-2截面M w 2-2N*mm158.340625Mpa 2A 0-0截面σ20-0-5.61279MpaB 1-1截面σ21-1-6.88689Mpa AsmC2-2截面σ22-2-7.09877Mpa3A 0-0截面M max 0-0N*mm B1-1截面M max 1-1N*mm C 2-2截面M max 2-2N*mm3266028888七. 各种载荷引起的轴向应力计算计算压力引起的轴向拉应力σ1操作质量引起的轴向压应力σ2最大弯距引起的轴向应力σ338452007223994005975384520072232660288883994005975八. 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核振型系数φzi (取u=1)风压高度变化系数f i (B类)风振系数K 2i有效直径D ei 的计算结果如下塔和管线的保温层厚度δsi =δps 设笼式扶梯与塔顶管线成90º角,取平台构件的投计算截面距地面高度h it (m )脉动增大系数ξ(B类)脉动影响系数νi (B类)1A 强度校核173.4Mpa>126.7874B 稳定性校核180Mpa>82.91122σmax 组压0-0-85.071013Mpa A=0.001489σmax 组压1-1-134.23115Mpa[σ]cr1A 试验压力p T 3.33375Mpaσ147.53530.9*σs *φ =263.925Mpa >σB 72.925781MpaC -15.4605MpaD 39.780968±MpaE σmax 组拉2-297.2462Mpa 许用应力0.9*Kσs *φ316.71MpaF σmax 组压2-2-55.2415Mpa许用应力180Mpa2A σ20-0-11.446Mpa σ21-1-14.17MpaB σ30-023.8375±Mpa σ31-1152.813±MpaC σmax 组压0-0-35.2831Mpaσmax 组压1-1许用应力168Mpa1基础环尺寸取D ob2400mm取D ib18402基础环应力校核8.88E+08mm 3A σbmax 4.798863Mpa B σbmax1.965902Mpa选用150号混凝土许用应力R a 7.5Mpa >σbmax 3基础环厚度（有筋板） b=167mm M42l 160-22082.99594.654140Mpa基础环材料的许用应力[σ]b满足要求地脚螺栓直径查得M x =-0.165*σbmax *b 2N*mm/mm 查得M y =0.0781*σbmax *l 2N*mm/mm >σmax 组压2-2裙座水压试验应力校核水压试验时，重力引起的轴向应力σ2基础环抗弯截面系数Z b基础环面积A b由弯距引起的轴向应力σ3最大组合轴向压应力校核满足要求十. 基础环设计水压试验时，重力引起的轴向应力σ22-2由弯距引起的轴向应力σ32-2最大组合轴向拉应力校核最大组合轴向压应力校核九. 筒体和裙座水压试验应力校核筒体水压试验应力校核由试验压力引起的环向应力σ满足要求由试验压力引起的轴向应力σ1筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力σmax组压2-2许用轴向压应力[σ]cr 筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉应力σmax组拉2-2许用轴向拉应力筒体的强度与稳定性校核裙座的稳定性校核裙座危险截面0-0及1-1处的最大组合轴向压应力基础环厚度S b 30.763746mm取S b35mm1A 4.23948Mpa取σB4.23948Mpa2地脚螺栓直径取地脚螺栓个数n=28147十一. 地脚螺栓设计地脚螺栓承受的最大拉应力σB 由于σB >0,故此塔设备必须安装地脚螺栓以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件地脚螺栓材料的许用应力[σ]bt 查得地脚螺栓直径M56选用28个M56的地脚螺栓，满足要求计理论数值计算开设一个人孔,共设5个.作平台,平台宽B=900mm,单位质量150kg/m3厚度δs=100mm,材料密度ρ2=300kg/m3风压值q0=500N/m2土00mm,高度Hs=5m的圆锥形裙座=0.85,塔体与裙座对接焊接附加量取C=2mm,裙座厚度附加量取C=2mm345235E (Mpa)190000mm,并圆整,还应考虑刚度,稳定性及多种载荷等因素,取筒体,封头和裙座18mm Se16mm1.436m内径Di 1.4mρ钢7850kg/m3kg直边高度h240mmDos2036mm 2.036mdos1436mm 1.436mDim1700mm 1.7mDom1736mm 1.736mmm内表面积m2容积V m32.30050.42022.97610.616640kg/m 0.7m67合计5035.6814916.08425058.80324.61649.22003813.165035.6815240.69429521.21962.711269.9897966.291158.1171189.5315880.92857.77782884456.89413.2682267.40882330.751258.921310.1737380.312315.0412442.7662123.110686.479565.79757536.322588.2521741.151173298703.0388282.39748832.680008200452001051711690.380584第三0.126860.40.52-2截面M E 0-0N*mmM E 1-1N*mm M E 2-2N*mm690q1t123597.934567裙座与塔底焊接处截面1117918597102881197.8必须考虑高振型影响裙座人孔处截面地土且近震, 查得Tg=合影响系数 Cz=h 0q F17.224.231.238.245.2333330.820.840.8610.8650.8750.230.40.590.8211.56 1.71.811.91 1.981.3626921.592941 1.841972.11412.3257576108mm 567800080008200400400400125125121.9512161216121615670.70.70.71.8419722.114084 2.325766906906901.81 1.91 1.988000800082002161216121612783933716.8839413.580517.87σ30-079.45823±Mpa σ31-1127.3443±Mpa Zsm30195321σ32-2132.6032±Mpa各危险截面的σ3计算如下塔顶管线外径d 0件的投影面积∑A=0.5m 2183.8451Mpa 1.2Mpa -139.702Mpa A=0.0021486查得 B=150MpaMpa查得 B=140Mpa168MpaMpa-166.983Mpamm 1864849mm 2取σbmax4.798863Mpamm b/l 1.0437522082.9N*mm/mm取M s =|M x |max 组压2-2满足要求积A b>σmax 组压2-2满足要求满足稳定性条件满足强度条件压2-2拉2-2组合载荷系数 K=满足稳定性条件B0.821495Mpa螺栓Mpa d149.4533mm。

《化工机械基础》第8章塔设备的机械设计

(5)水压试验验算。
8.2 裙座设计
四个部分： 1.座体---承受并传
递塔体载荷。 2.基础环---将载荷
传递到基础上。 3.螺栓座---固定塔
S
e
2
式中M
ii max
maxM M
ii W
ii E
Me
25%M
ii W
M e
稳定条件：
组合轴向压应力要满足：
ii m a x压
[ ]cr
KB
minK[ ]t
式中K——载荷组合系数，取K=1.2; B——见书p168。
（3）塔体拉应力验算
依前述，假设一有效壁厚Se3。计算σ1,σ2,σ3，并进行组合，满足如下强度条件：
缝截面。位于塔体上的危险截面——
2-2截面。
2. 塔体应力组合（2-2截面）组合轴向应力的构成： • σ1——介质压力引起的轴向应力； • σ2——塔体自重引起的轴向应力； • σ3——塔体所受弯矩引起的轴向应力。例如，内压操作的塔设备在2-2截面处的应力组合：
位于背风面，组合轴向应力为： σ=σ1-σ2-σ3
将质量离散：
简化力学模型———
多质点体系的悬臂梁
发生地震时的受力
（1）.水平地震力
任一段集中质量mk所引起的基本振型水平地震力为：
Fk=CZα1ηk mkg
N
式中CZ——结构综合影响系数，圆筒形直立设备取0.5；
α1 ——对应于设备基本自振周期T1的地震影响系数；
ηk——基本振型参与系数；
[σ]cr——许用轴向压应力，
[ ]cr
0.9K
minKB
s
塔体壁厚确定方法：
(1)根据内(外)计算压力,确定容器设计计算壁厚，确定一有效壁厚Se1;

化工设备设计基础塔设备强度设计计算

M M
ii W
ii E
Me
0.25M
ii W
Me
(取大值)
水压试验时间人为选定且时间较短，在试验情况下最大弯矩取值
M ii max
0.3M
ii W
Me
最大弯矩在筒体中引起轴向应力
3
4M
ii max
Di2 ei
㈣筒体壁厚效核
１．最大轴向组合应力旳计算
内压塔设备
外压塔设备
正常操作停修
正常操作
（1）水平风力旳计算
迎风面产生风压。与风速、
空气密度、地域和季节有关。
各地离地面10m处30年一遇
10分钟内平均风速最大值作为计算风压，
得到该地域旳基本风压q0，见表4-26。
风速随处面高度而变化。塔高于10m，应分段计算风载荷，视离地面高度旳不同乘
以高度变化系数fi，见表4-27。
风压还与塔高度、直径、形状以及自振周期有关。两相邻计算截面间旳水平风力为：
有多种振型，任意高度hK处集中质量mK引起基本振型旳水平地震力 FK1 Cza1hK1mK g
FK1-mK引起旳基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；
mK-距离地面hK处旳集中质量；
n
h1.5 K
mi
h1.5 i
hK1-基本振型参加系数， hK1
i 1
n
mi hi3
1、群座体与塔体对接焊缝
J-J截面旳拉应力校核
2、群座体与塔体搭接焊缝
J-J截面旳剪应力校核
思索题：
1.自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷？
2.简述内压塔操作时旳危险工况及强度校合条件。
一种是圆筒形，一种是圆锥形。

塔架计算书

塔架计算书一、主要要求：1、型钢格构式塔架，自立式铁塔。

2、上层标高16.0m，自重120Kg，水平后座力4.12kN。

下层标高13.5m，自重120Kg，水平后座力2.2kN。

3、南京大厂镇江边。

二、设计概况：1、抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组.2、基本风压0.4kN/㎡，地面粗糙度为A类(空旷地带)，工程的安全等级为一级(参照《高耸结构设计规范》设计)。

3、按照《高耸规范》第3.4.2条，本塔架结构不必进行构件截面的抗震验算，仅需满足抗震构造要求。

4、荷载的组合，按《高耸规范》第2.0.5条，取用下式：1.2G+1.4W+1.4×0.7L式中，G为自重等永久荷载W为风荷载L为活荷载5、考虑到平时检修使用时人员的上下，采用大型角钢格构式塔架，尺寸如下：三、塔架构件选择说明：1、满足大型格构式柱的构造要求：斜缀条与水平缀条的夹角宜在40°~70°内，水平缀条不小于L63×5，斜缀条不小于L75×6。

2、节点板的厚度由构造决定，选用10mm厚钢板，焊脚尺寸取8mm。

3、除塔架柱脚处的水平缀条连在柱分肢的外侧，其他所有缀条。

包括斜缀条和水平缀条均连在柱分肢的内侧，塔身外表平整，便于运输；根据业主要求，塔架用螺栓连接。

4、塔架可以在工厂分段制作，现场进行拼接。

5、格构式柱（塔架）采用分离式柱脚，柱脚底板由计算确定，且应不小于20mm厚；锚栓直径亦由计算确定，且应不小于20mm，孔径为螺栓直径的1.5倍，垫板孔径比螺栓大2mm。

四、风荷载的计算：按《高耸规范》执行。

W=βZμSμZμrω0式中：ω0=1.1× 0.4=0.44kN/㎡(1.1为工程重要性一级要求，0.4为南京的基本风压)βZ为风振系数：根据荷载规范GB50009-2001附录E，高耸结构的基本自振周期T1=(0.007~0.013)H，本工程为钢结构，取T1=0.013× 16.0=0.208sec;另根据《高耸规范》第3.2.7条，T1<0.25sec时不考虑风振影响，即βZ=1.0μS为风荷载体型系数，取2.6(偏于安全取规范的高值)μZ为风压高度变化系数，按高度16m的取值为1.52μr为风荷载重现期调整系数，为1.2W =1.0×2.6×1.52×1.2×0.44=2.09kN/㎡fA=3757平方毫米W xmin=68744(mm)3I x=6888100(mm)4I x0=10935600(mm)4I y0=2840600(mm)3W x0=110466(mm)3W y0=50467(mm)3I x=42.8mmI x0=54mmI y0=27.5mm Z 0=39.8mm G=29.492Kg/m角钢L100×10：肢宽L=100mm ，肢厚t f =14mmA=1926.1(mm)2W xmin =25060(mm)3I x =1795100(mm)4I x0=2846800(mm)4I y0=743500(mm)3W x0=4260(mm)3W y0=18540(mm)3I x =305mm I x0=384mm I y0=196mm Z 0=28.4mm G=15.12Kg/m六、计算格构式柱的柱身1500mm 高的材料重量及总重：分肢角钢：L140×14， 29.492×1.6×4=188.8 Kg L100×10水平角钢：15.12×1.6×4=96.8 Kg L100×10斜向角钢：15.12×1.8×4=108.9 Kg 节点板：0.3×0.6×0.01×7800×4=56.2 Kg 合计：188.8+96.8+108.9+56.2=450.7 Kg考虑计入爬梯及附属设备等，1600mm 高柱重取1.1×450.7=495.77 Kg 柱全高重：495.77×10(节)=4957.7Kg=49.58 kN七、求塔架内力：控制截面在塔底风荷载沿高度的线载=1.60×2.09=3.344 kN/m塔底轴力设计值： N=49.58×1.2=59.50kN弯矩设计值：M=1/2×3.344(风)×16.02×1.4+(4.12×16.0+2.2×13.5)(后座力)×1.4×0.7=599.2+93.7=692.9 kN ·m 剪力设计值：V=3.344×16.0×1.4+(4.12+2.2)×1.4×0.7 =74.91+6.2=81.1 kN查规范〈〈钢结构设计规范〉〉知，格构式柱的轴心受压构件的截面分类为b类。

带导向支撑塔设备强度、挠度的计算

带导向支撑塔设备强度、挠度的计算邢玲谢腾腾解德甲于啸孙冬来（上海蓝滨石化设备有限责任公司）摘要采用公式解析法和有限元建立梁模型的方法分别计算塔设备在风载荷、地震载荷作用下的弯矩和挠度。

对比发现：公式解析法简单、易操作，但仅适用于塔体无变径、等厚且仅有一处支撑的模型；有限元软件建立梁模型的方法能够更加准确地模拟塔设备的受力情况，得到更加精确的结果。

关键词塔设备导向支撑公式解析法梁模型中图分类号TQ053.5文献标识码A文章编号0254-6094（2020）04-0526-04在化工、炼油、医药、食品及环境保护等领域，塔设备是一种重要的单元设备，其作用是实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相间传质传热的目的％据统计，塔设备无论是投资费用还是所消耗的钢材重量，在整个过程设备中所占的比例都非常高&以年产120万吨催化裂化装置为例,塔设备重量占比高达48.9%⑴。

一方面，装置的大型化有着较高的效益,例如在乙烯生产中，随着装置的增大生产成本大幅降低，年产100万吨与年产50万吨乙烯装置相比,生产成本可降低约25%；年产150万吨与年产50万吨乙烯装置相比，生产成本可降低约40%；年产150万吨与年产100万吨乙烯装置相比，生产成本可降低约15%'2（。

另一方面，随着装置的大型化，出现了很多直径较小而高度很高（即大长径比$的塔设备，这些塔设备在地震载荷或者风载荷的作用下会产生较大的塔底弯矩和塔顶挠度%为满足塔的强度和挠度要求，在工程上通常采用两种方法：增加壁厚或者在塔体某个高度上加设导向支撑&由于增加壁厚会使成本增加较多，出于经济性考虑，通常采用导向支撑结构来分担风载荷和地震载荷，并且该做法在工程上得到了广泛应用。

加设导向支撑会改变塔体的支承方式，使塔内各截面弯矩重新分布，在不增加塔体壁厚的情况下大幅降低最大弯矩和塔顶挠度［3］。

但是，加设导向支撑使得塔设备的计算模型与标准中的模型不一致，其设计计算是个难点&目前对于带导向支撑塔设备的计算方法有⑷:采用有限元对塔设备整体分析，采用公式解析法计算弯矩和挠度（简化算法），借助软件采用梁模型计算弯矩和挠度（详细算法$&由于第1种计算方法对设计人员要求高、耗时长，因此在工程中的应用主要以后两种方法为主&笔者针对具体案例，通过对后两种计算方法的对比，找出两种计算方法的优缺点，以供工程技术人员参考。

塔设备机械强度校核

（一）已知条件：（1）塔体直径i D =800mm ，塔高H=29.475m 。

（2）设计压力p=2.3Mpa 。

（3）设计温度t=19.25O C ,（4）介质为有机烃类。

（5）腐蚀裕量2C =4mm 。

（6）安装在济南地区（为简化计算，不考虑地震影响）。

（二）设计要求（1）确定塔体和封头的厚度。

（2）确定裙座以及地脚螺栓尺寸。

（三）设计方法步骤A 材料选择设计压力p=2.3Mpa,属于中压分离设备，三类容器，介质腐蚀性不提特殊要求，设计温度19.25O C ，考虑选取Q235-C 作为塔体材料。

B 筒体、封头壁厚确定先按内压容器设计厚度，然后按自重、液重等引起的正应力及风载荷引起的弯曲应力进行强度和稳定性验算。

a 筒体厚度计算按强度条件，筒体所需厚度d δ=[]22it pD C pσ+Φ-= 2.3800420.85125 2.3⨯+⨯⨯-=12.75 mm 式中[]t t σ——Q235-C 在19.25O C 时的许用应力。

查《化工设备机械基础》为125MpaΦ——塔体焊缝为双面对接焊，局部无损检测，Φ=0.85。

2C ——腐蚀裕量，取值4mm 。

按刚度要求，筒体所需最小厚度min δ=22800 1.610001000i D mm ⨯==。

且min δ不小于3mm 。

故按刚度条件，筒体厚度仅需3mm 。

考虑到此塔较高，风载荷较大，而塔的内径不太大，故应适当增加厚度，现假设塔体厚度 n δ=20mm ，则假设的塔体有效厚度e δ=12n C C δ--=20-4.8=15.2mm式中1C ——钢板厚度负偏差，估计筒体厚度在8～25mm 范围内，查《化工设备机械基础》的1C =0.8mm 。

b 封头壁厚计算采用标准椭圆形封头，则[]2 2.3800421250.850.5 2.320.5id t pD C p δσ⨯=+=+⨯⨯-⨯Φ- =12.71mm 。

为便于焊接，取封头与筒体等厚，即n δ=20mm 。

塔强度计算-T0401强度说明书

过程设备强度设计计算书
计算单位计算条件塔型设计压力容器分段数（不包括裙座）压力试验类型压力试验计入液柱高度 H 试验压力（立试）试验压力（卧试） mm MPa MPa 封头上封头材料名称名义厚度腐蚀裕量焊接接头系数封头形状 mm mm 下封头 MPa
合格
筋板许用应力
合格
盖板许用应力
合格
裙座与壳体的焊接接头校核 kg
37786.6
焊接接头截面上的最大弯矩搭接接头横截面搭接接头抗剪断面模数搭接焊接接头在操作工况下最大剪应力搭接焊接接头在操作工况下的剪应力许可值搭接焊接接头在试验工况下最大剪应力搭接焊接接头在试验工况下的剪应力许可值搭接接头拉应力校核结果
组合应力校核
16.62 71.66
15.37 71.66
7.88 79.84 24.15 372.60
全国化工设备设计技术中心站
5
过程设备强度设计计算书
σA4 许用值 σ 许用值校核结果
SW6-98
23.60 71.66
22.95 71.66
4.78 79.84 78.61 310.50
0.00 7.86 7.51 7.86 0.00 20.68 2.27 113.00 59.71
20.43 6.48 5.60 2.28 25.54 3.08 1.70 170.00 66.53 19.55 204.00
20.43 6.48 5.60 2.28 25.54 3.08 1.70 170.00 66.53 19.55 204.00 7.88 79.84 24.15 372.60
mm mm ℃ mm mm mm

塔设备筒体的设计

4.2 强度计算（1）厚度计算由于筒体内有8mm 衬里，因此筒体内直径i D 按2696mm 计算，腐蚀余量C 2=0. 圆筒厚度计算查[1]过程装备基础P 176式（13-6）得[]c t i c p D p -=φσδ2式中：δ-计算厚度，mmi D -圆筒内直径，mmφ-焊接接头系数，φ≤1.0，据[2]钢制压力容器GB150-1998 （5.内压圆筒和内压球壳）可取φ=1.0c p -计算压力，MPa 。

其值为设计压力与液柱高度之和。

[]t σ-设计温度下材料的许用应力，MPa.① 厚度试算初选筒体厚度为26mm 。

根据尿素生产工艺及要求，选择设计高度h=27500mm 的尿素合成塔，此时 p p 液柱=ph γ=0.017<5%，因此，液柱高度可忽略不计，即p c ≈p 根据[1]过程装备基础P259钢板需用应力表查得在200℃下，16~36mm 钢板的许用应力[]tσ=159MPa 。

因此，筒体计算厚度为）（mm 77.1431.160.1159226961.16=-⨯⨯⨯=δ ② 层数选择初选层板厚度为12mm ，根据[1]过程装备基础P259钢板需用应力表查得在200℃下，6~16mm 钢板许用应力[]tσ=170MPa 。

层板数为8.9122677.143=-=n 因此，层数选为10层。

③厚度确定筒体的设计厚度)(77.143077.1432mm C d =+=+=δδ 因而取筒体的名义厚度mm n 150=δ根据GB/T709-2006得多层包扎钢板负偏差C 1=0.3mm ，考虑衬里的防腐蚀作用，腐蚀余量C 2=0筒体有效厚度)(7.1460)103.03.0(15021mm C C n e =+⨯+-=--=δδ ④ 强度校核根据[3]过程设备设计P122和P123得圆筒的计算应力为 )(83.1557.1462)77.1432696(1.162)(MPa D p e i c t =⨯+⨯=+=δδσ [][][])(76.15695.017014610120.115914626000MPa t ni t i n i t =⨯⨯⨯+⨯⨯=+=φσδδφσδδφσ 式中 δ—圆筒的计算厚度，mm ； ’δe — 圆筒的有效厚度，mm ：δi —多层容器内筒名义厚度，mm ； δ0——多层容器层板的总厚度，mm ； δn ——圆筒的名义厚度,mm ：t σ—设计温度下圆筒的计算应力，MPa[]t σ——设计温度下圆筒材料的综合许用应力，MPa []t i σ—设计温度下多层容器内筒材料的许用应力，MPa ， []t 0σ——设计温度下层板材料的许用应力，MPa ， φi —多层容器内筒的焊接接头系数，φi =1φ0—多层容器层板层的焊接接头系数，φ0=0.95 []φσσt t <，所以筒体符合要求，合格。

塔吊计算书

一、塔吊的基本参数信息塔吊型号:JL5613，塔吊起升高度H=39.000m，塔吊倾覆力矩M=1378.600fkN.m，混凝土强度等级:C35，塔身宽度B=1.500m，基础以上土的厚度D=1.500m，自重F1=390.000kN，基础承台厚度Hc=1.400m，最大起重荷载F2=60.000kN，基础承台宽度Bc=5.000m，桩钢筋级别:II级钢，桩直径或者方桩边长=0.500m，桩间距a=4.000m，承台箍筋间距S=200.000mm，承台砼的保护层厚度=50.000mm，空心桩（采用的预应力管桩）的空心直径:0.30m。

二、塔吊基础承台顶面的竖向力和弯矩计算塔吊自重（包括压重）F1=390.00kN，塔吊最大起重荷载F2=60.00kN，作用于桩基承台顶面的竖向力F=1.2×(F1+F2)=540.00kN，塔吊的倾覆力矩M=1.4×1378.60=1930.04kN。

三、矩形承台弯矩及单桩桩顶竖向力的计算图中x轴的方向是随机变化的，设计计算时应按照倾覆力矩M最不利方向进行验算。

1. 桩顶竖向力的计算依据《建筑桩技术规范》JGJ94-94的第5.1.1条。

其中n──单桩个数，n=4；F──作用于桩基承台顶面的竖向力设计值，F=540.00kN；G──桩基承台的自重G=1.2×（25×Bc×Bc×Hc/4+20×Bc×Bc×D/4)=1.2×(25×5.00×5.00×1.40+20×5.00×5.00×1.50)=1950.00kN；Mx，My──承台底面的弯矩设计值，取1930.04kN.m；xi，yi──单桩相对承台中心轴的XY方向距离a/2=2.00m；Ni──单桩桩顶竖向力设计值(kN)；经计算得到单桩桩顶竖向力设计值，最大压力：N=(540.00+1950.00)/4+1930.04×2.00/(4×2.002)=863.75kN。

塔设备的强度计算

K3 ——笼式扶梯当量宽度，当无确切数据时可取
K3 =400mm K4——操作平台当量宽度，
K4
2 l0
A
mm；
l——操作平台所在计算段长度，mm；
∑A——第i段内平台构件的投影面积（不计入空档的投影面积），mm2
上述载荷都合在塔壁产生轴向压应力：
2
Qii
Diei
为任意计算截面Ⅰ-Ⅰ 上所受到的重量载荷
在计算压应力时，常根据不同情况下的组合重量载荷计算
a、设备操作时的重量载荷： QⅠ—Ⅰ=(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Qa)Ⅰ—Ⅰ
b、设备水压试验时的最大重量：
Qmax= Q1+Q2+Q3+Q4+Qa+QW c、设备吊装完毕但尚未运行时的最小重量：
H——塔总高 m
mi——塔设备的第i段的质量
Hi——第i段塔高 m
xi——第i段中心到地面的距离m
E——塔体材料的弹性模量 N/m2 m——塔变截面段数
Ji——第i段塔体截面惯性矩 m4 n——塔分段数
Ii 8
Di ei
3 ei
(圆形薄壁容器的惯性矩)
Dei——塔设备计算段的有效直径 m
当笼式扶梯和塔顶进出口管线布置成180º时：
K2i
1
izi
fi
ξ—脉动增大系数，与塔的自振周期有关 υi—脉动影响系数 φzi—第i段振型系数 fi—风压高度变化系数，高度取各计算段顶截面的高度 li—第i计算段塔高 q0 —基本风压值。各地区的基本风压值见GB50009中有关规定，但均不应小于300N/m2
我国“规定”中规定取该地区离地面高度10m处，30年

塔设备强度计算-裙座基础环和螺栓计算