第三节 塔体强度校核

1、风力的计算 、
Pi = ki k2i f i q0 Li Dei
Pi-----设备中第 段的水平风力，N； 设备中第i段的水平风力 设备中第 段的水平风力， ； ki ------体形系数，对圆柱形塔设备，取ki=0.7 体形系数， 体形系数 对圆柱形塔设备， k2i ------风振系数 风振系数 fi- ------风压高度变化系数，按表 选取 风压高度变化系数， 风压高度变化系数 按表5-3选取 q0------基本风压值，与建塔地区有关，可按表5-4选取 基本风压值，与建塔地区有关，可按表 选取 基本风压值 Li------塔设备第 段的计算高度，m 塔设备第i段的计算高度 塔设备第 段的计算高度， Dei------塔设备第 段迎风面的有效直径，m 塔设备第i段迎风面的有效直径 塔设备第 段迎风面的有效直径，
第三节
塔体强度校核
潍坊科技学院
化学工程学院
Contents
塔设备大多置于室外， 塔设备大多置于室外，靠地脚螺栓固定在混 凝土基础上，一般采用裙式支座支承。 裙式支座支承 凝土基础上，一般采用裙式支座支承。
仅根据设计压力来确定塔体 壁厚， 壁厚，有时不能保证塔设备 的安全运行
质量载荷 偏心载荷 风载荷 地震载荷
段迎风面有效直径Dei的计算 （3）第i段迎风面有效直径 ） 段迎风面有效直径 的计算
当笼式扶梯与塔顶管线布置成180°时： ° 当笼式扶梯与塔顶管线布置成 Dei=Doi＋2δsi＋K3＋K4＋do＋2δps 当笼式扶梯与塔顶管布置成90°时，取下列两式中大值： 取下列两式中大值： Dei=Doi＋2δsi＋K3＋K4 Dei=Doi＋2δsi＋K4＋do＋2δps
一、塔设备的振动
脉动风是塔设备常见故障及排除方法力是塔设备产 脉动风是塔设备常见故障及排除方法力是塔设备产 或周期)与 生振动的主要原因。当脉动风力的变化频率(或周期 生振动的主要原因。当脉动风力的变化频率 或周期 与 塔自振频率(或周期 相近时，塔体便发生共振。 或周期)相近时 塔自振频率 或周期 相近时，塔体便发生共振。塔体产 生共振后，使塔发生弯曲、倾斜，塔板效率下降， 生共振后，使塔发生弯曲、倾斜，塔板效率下降，影响 塔设备的正常操作，甚至导致塔设备严重破坏， 塔设备的正常操作，甚至导致塔设备严重破坏，造成重 大事故。因此在塔的设计阶段就应考虑塔设备产生共振 大事故。因此在塔的设计阶段就应考虑塔设备产生共振 的可能性，采取预防措施，防止共振的发生。 的可能性，采取预防措施，防止共振的发生。防止塔体 产生共振通常采用以下三方面的办法： 产生共振通常采用以下三方面的办法：
当塔设备H/Di>5，或高度大于等于20m时，还需考虑 高振型的影响，则所取地震弯矩为上述计算值的1.25倍。
第四节 塔设备常见故障及排除方法
塔设备在操作时，不仅受到风载荷、 塔设备在操作时，不仅受到风载荷、地震载荷等外部 环境的影响，还承受着内部介质压力、温度、腐蚀等作用。 环境的影响，还承受着内部介质压力、温度、腐蚀等作用。 这些因素将可能导致塔设备出现故障， 这些因素将可能导致塔设备出现故障，影响塔设备的正常 使用。所以在设计与使用时，应采取预防措施， 使用。所以在设计与使用时，应采取预防措施，减少故障 的发生。一旦出现故障，应及时发现， 的发生。一旦出现故障，应及时发现，分析产生故障的原 制订排除故障的措施，以确保塔设备的正常运行。 因，制订排除故障的措施，以确保塔设备的正常运行。 塔设备的故障可分为两大类。一类是工艺性故障， 塔设备的故障可分为两大类。一类是工艺性故障，如 操作时出现的液泛、漏液量大、雾沫夹带过多、 操作时出现的液泛、漏液量大、雾沫夹带过多、传质效率 下降等现象。另一类是机械性故障，如塔设备振动、腐蚀 下降等现象。另一类是机械性故障，如塔设备振动、 破坏、密封失效、工作表面积垢、局部过大变形、 破坏、密封失效、工作表面积垢、局部过大变形、壳体减 薄或产生裂纹等。 薄或产生裂纹等。
g------重力加速度，m/s2 重力加速度， 重力加速度 e ------偏心距，偏心质量中心 偏心距， 偏心距 至塔设备中心线的距离， 至塔设备中心线的距离，m Me-----偏心弯矩，N .m 偏心弯矩， 偏心弯矩
me
B1
g
（三）风载荷 风载荷是安装在室外的塔设备承受的基本载荷之一。 风载荷是安装在室外的塔设备承受的基本载荷之一。 在风载荷作用下，塔体不仅可能产生弯曲， 在风载荷作用下，塔体不仅可能产生弯曲，还可能产生顺 风方向的振动和垂直于风向的横向振动。对于顺风方向的 风方向的振动和垂直于风向的横向振动。 风力，可以看做是平均风力和脉动风力所组成。 风力，可以看做是平均风力和脉动风力所组成。平均风力 对塔体产生静力作用。脉动风力产生动力作用， 对塔体产生静力作用。脉动风力产生动力作用，将引起塔 设备的振动。在计算风弯矩时，通常是在静力的基础上， 设备的振动。在计算风弯矩时，通常是在静力的基础上， 采用风振系数考虑脉动风力的影响。 采用风振系数考虑脉动风力的影响。
（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：
mo = m01 + m02 + m03 + m04 + m05 + ma + me
塔设备在水压试验时的最大质量： 塔设备在水压试验时的最大质量：
mmax = m01 + m02 + m03 + m04 + mw + ma + me
塔设备在停工检修时的最小质量： 塔设备在停工检修时的最小质量：
mm i x = m01 + 0.2m02 + m03 + m04 + ma + me
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。
①提高塔体的固有频率，从根本上消除产生共振的根源。 具体的方法有：降低塔体总高度，增加塔体内径(但需与工 艺设计一并考虑)；加大塔体壁厚，或采用密度小、弹性模 量大的材料；如条件允许，可在离塔顶0．22H处(相应于 塔的第二振形曲线节点位置)，安装一个铰支座。 ②增加塔体的阻尼，抑制塔的振动。具体方法有：利用塔 盘上的液体或塔内填料的阻尼作用；在塔体外部装置阻尼 器或减振器；在塔壁上悬挂外包橡胶的铁链条；采用复合 材料等。 ③采用扰流装置。合理地布置塔体上的管道、平台、扶梯 和其他连接件，以破坏或消除周期性形成的旋涡。在大型 钢制塔体周围焊接螺旋条，也有很好的防振作用。
qi = fi q0
（2）风振系数的计算 ）
风振系数k2i是考虑风载荷脉动性质和塔体动力特性 风振系数 是考虑风载荷脉动性质和塔体动力特性 的折算系数，当塔高H＜ 的折算系数，当塔高 ＜20m时，取k2i=1.70；当塔高 时 ； H>20m时，可按下式计算 时
ξν iφ2i k2i = 1 + fi
(二)偏心载荷 二 偏心载荷
有些塔设备悬挂有分离器、 有些塔设备悬挂有分离器、 冷凝器、 冷凝器、换热器等附属设备或 其他附件， 其他附件，这些附属设备对塔 体产生偏心载荷，并引起偏心 体产生偏心载荷， 弯矩。 弯矩。
e
M e = me ge
me -------偏心载荷，Kg 偏心载荷， 偏心载荷
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，
2、风弯矩的计算 、 塔设备任意截面I－ 处的弯矩为 处的弯矩为： 塔设备任意截面 －I处的弯矩为：
…
底截面0－ 处的风弯矩为 处的风弯矩为： 底截面 －0处的风弯矩为：
…
（四）地震载荷 如果塔设备安装在地震烈度为七度及以上地区， 如果塔设备安装在地震烈度为七度及以上地区，设计 时必须考虑地震载荷对塔设备的影响。 时必须考虑地震载荷对塔设备的影响。塔设备在地震波的 作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动 作用下有三个方向的运动：水平方向振动、 和扭转，其中以水平方向振动危害较大。为此， 水平方向振动危害较大 和扭转，其中以水平方向振动危害较大。为此，计算地震 力时，仅考虑水平地震力对塔设备的影响， 力时，仅考虑水平地震力对塔设备的影响，并把塔设备看 成是固定在基础底面上的悬臂梁。 成是固定在基础底面上的悬臂梁。 对于实际应用的塔，全塔质量并不集中于顶点，而是 对于实际应用的塔，全塔质量并不集中于顶点， 按全塔或分段均布。计算地震载荷与计算风载荷一样， 按全塔或分段均布。计算地震载荷与计算风载荷一样，也 是将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集中于该段 是将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集中于该段 1/2处。即将塔设备化为多质点的弹性体系 处
二、塔设备的腐蚀
由于塔设备一般由金属材料制造，所处理的物料大多 为各种酸、碱、盐、有机溶剂及腐蚀性气体等介质，故腐 蚀现象非常普遍。 塔设备腐蚀几乎涉及到腐蚀的所有类型。既有化学腐蚀， 又有电化学腐蚀，既可能是局部腐蚀，又可能是均匀腐蚀。 造成腐蚀的原因更是多种多样，它与塔设备的选材、介质 的特性、操作条件及操作过程等诸多因素有关。 为了防止塔设备因腐蚀而破坏，必须采取有效的防腐措 施，以延长设备使用寿命，确保生产正常进行。
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场地土的特性周期Tg 表5-8 场地土的特性周期
（2）水平地震弯矩计算 ）
塔设备任意计算截面i-i的基本振型地震弯矩按式（ 塔设备任意计算截面 的基本振型地震弯矩按式（5-15）计算 的基本振型地震弯矩按式 ）
对于等直径、等厚度塔设备的任意截面 和底截面 和底截面0-0的基本 对于等直径、等厚度塔设备的任意截面i-i和底截面 的基本 振型地震弯矩分别按式（ 振型地震弯矩分别按式（5-16）和式（5-17）计算： ）和式（ ）计算：
1、水平地震力的计算
按照振动理论，对于任意高度hK处的集中质量mK引起 基本振型的水平地震力为：
（1）地震影响系数a的确定 a值可查下图，图中的曲线部分按 计算，但不得小于
Tg----特性周期 特性周期 可由表5-8查得 可由表 查得
可由表5-9查得 可由表 查得
表5-9 地震影响系数的最大值
确定塔设备具 有足够的强度 和稳定性
一、 各种载荷计算
（一）质量载荷
塔设备质量包括： 塔设备质量包括： m1:塔体和裙座质量； 塔体和裙座质量； 塔体和裙座质量 m2:内件质量； 内件质量； 内件质量 m3:保温材料； 保温材料； 保温材料 m4:平台、扶梯质量； 平台、 平台 扶梯质量； m5:操作时塔内物料质量； 操作时塔内物料质量； 操作时塔内物料质量 ma:人孔、接管、法兰等附件质量； 人孔、 人孔 接管、法兰等附件质量； me:偏心质量； 偏心质量； 偏心质量 mw:液压试验时，塔内充液质量； 液压试验时， 液压试验时 塔内充液质量； 塔设备在正常操作时的质量： 塔设备在正常操作时的质量：