塔式容器设计问题解析

科技情报开发与经济SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT＆ECONOMY2010年第20卷第21期

塔式容器在化工行业应用十分广泛。如甲醇精馏工段有加压精馏塔、脱醚塔、常压塔，称为三塔精馏（有的只有脱醚塔和常压塔，称为两塔精馏）。还有二甲醚工段的精馏塔、变换工段的饱和热水塔等。本文所论述的是在JB/T4710—2005《钢制塔式容器》中明确规定的高度H大于10m，且高度H与平均直径D之比大于5的裙座自支承钢制塔式容器。下面就设计过程中遇到的问题进行阐述，希望能给同行一些启发和帮助。

1筒体分段

在塔设备设计时一般要分段计算。所谓分段，即将塔沿高度分成若干计算段，各段的质量可处理为作用在该段高度二分之一处的集中质量。为了得到足够高的计算精度，不同的塔设备在设计计算时要看情况分段。分段对以下3种情况有很大的影响。

1.1自振周期计算

JB/T4710—2005在自振周期计算时，考虑了等直径且等壁厚的塔设备和不等直径或不等壁厚的塔设备两种情况的计算。前者计算时简化为底端固定的悬臂梁。但是直径和厚度虽然不变，如果存在集中质量的塔式容器，应使集中质量的作用点位于该计算段的质量集中点，避免在同一计算段内形成两个质点，如填料塔，特别是使用时可能积留大量工作介质的情况，最好的分段是每段填料各为一段，没有填料的圆筒段各为一段，视其长度而定。后者不等直径或不等壁厚的塔设备，质量沿塔高也不是均匀分布的，因此常将这种塔视为由多个塔节组成的，将每个塔节化为质量集中于其质心的质点。一般来讲，计算自振周期时，要求分段数多一些，其计算结果的精度也较高，特别是高振型的自振周期更是如此。

自振周期对风载、地震载荷都有一定影响。自振周期增大，脉动增大系数ξ也增大，计算段的水平风力加大，因此计算时增加壁厚，可以减小水平风力。自振周期对地震载荷影响情况较为复杂，总的来讲，自振周期的变化，影响地震影响系数α的取值，也就直接影响到水平地震力的大小。

1.2地震载荷计算

在计算垂直地震力时，分段越精确计算越准确，相对粗分段需要的地脚螺栓小一些。分段时除了在直径、壁厚变化处分段和锥形壳体单独分段外，对于等直径等壁厚的塔，如果是填料塔，分段情况同上面“自振周期计算”中的方法；对于圆泡罩塔来说，一组泡罩为一段就可以了，如果这一段很长，可以适当分开，使计算更为准确。对于不等直径或不等壁厚的塔，要遵循标准，在不同直径、不同厚度处分段计算。

1.3风载荷计算

风载荷的每个计算分段处都有顺风向水平风力。风压随高度变化有一个系数对计算水平风力有很大影响，所以计算风载时，等直径且等壁厚的塔设备和不等直径或不等壁厚的塔设备两者都要分段精细，同时考虑内部附件的质量引起的分段重心位置。这样水平风力作用产生的风弯矩才有一个比较准确的值。

风载、地震载荷都对地脚螺栓座和裙座的计算有决定性的影响。总的来看，塔设备筒体分段有以下原则：第一，每一段内不得存在直径、壁厚的变化；第二，锥形壳体应单独分成一段或几段；第三，存在集中质量的塔式容器，应使集中质量的作用点位于该计算段的质量集中点，避免在同一计算段内形成两个质点。

2附件

2.1最大管线外径

计算软件上有一最大管线外径，很多人都以为是设备上最大的接管外径，其实不然，它是塔顶上最大的出口管（见图1）。在计算时其他附件与之一起受风载的作用，需要更大的地脚螺栓和基础布环板等，因为这样增大了风弯矩的值。

笼式扶梯与最大管线布置角度对风载荷计算有一定的影响。在工艺未定管口方位时，应按180°角计算。如果塔顶管线比较大，恰好风载荷也较高，而在塔设备设计计算时没有注意到这个问题，或是不知道两者成180°最大危险角度，那么在塔设备应用过程中就有可能出现危险截面被破坏的问题，到时塔就会出现事故。当笼式扶梯与最大管线布置成180°时，各计算段有效直径按下式计算：

D ei＝D oi＋2δsi＋K3＋K4＋d o＋2δps

当笼式扶梯与最大管线布置成90°时，各计算段有效直径取下列式中较大者：

D ei＝D oi＋2δsi＋K3＋K4

D ei＝D oi＋2δsi＋K4＋d o＋2δps

从计算公式来看，当笼式扶梯与最大管线布置成180°时，各

文章编号：1005－6033（2010）21－0193-02收稿日期：2010－06－09

塔式容器设计问题解析

张建秀1，刘国振2

（1.石家庄正元塔器设备有限公司，河北石家庄，050061；2.河北正元化工工程设计有限公司，河北石家庄，050061）

摘要：对塔式容器在筒体分段、附件计算、裙座设计过程中遇到的问题进行了分析，

并提出了有效的解决方法。

关键词：塔式容器；筒体分段；附件计算；裙座设计

中图分类号：TQ05文献标识码：A

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计算段有效直径为最大，而计算顺风向水平风力、风弯矩同样随之为最大。所以在管口方位不定时，按180°计算是安全的。

2.2偏心载荷

塔体上有时悬挂有再沸器、冷凝器等附属设备或其他附件，当其质量对塔构成影响时，塔就要承受偏心载荷的作用，计算时就不能忽视。因为它将影响塔体的各种应力、地脚螺栓座部件的应力及裙座与塔壳连接接头。

2.3液柱静压力

当塔釜液位很高时，会产生液柱静压力。如萃取塔，液体充满了整个塔设备。软件在计算时只考虑了液柱静压力对筒体的影响，在对开孔补强计算时需自己输入数据。所以如有液柱静压力，计算开孔补强时一定要输入相应数据，以使计算满足要求。

对于塔设备，水压试验时很多都是卧试的。这时的试验压力值就不能忽视液柱静压力。在确定管法兰的压力等级时，塔设备的水压试验压力应不大于标准中规定的常温时最高允许工作压力的1.5倍。如果水压试验高了，没必要提高管法兰的压力等级，可以适当降低水压试验值。

2.4容器法兰

塔壳各段采用法兰连接时，法兰不仅受到内压、轴向力的作用，还受到外力矩（风载、地震载荷引起的力矩）的作用，折合在一起，对法兰的计算有一个当量设计压力。但法兰所处的相对高度不同，这些力对其影响就不一样，所以在计算法兰时，必须输入一个法兰密封面离地面高度的数值。这很重要，因为如果其他力作用很大时，即使选用压力等级满足要求的标准容器法兰，计算结果也不一定合格。

3裙座设计

对于裙座的设计，以下两点很多时候会被忽视。

3.1排气孔

排气孔是为了排除裙座内的有害气体，保证检修人员安全。一般来讲，如果裙座没有保温防火层，则裙座上部只要开设排气

孔即可，但很少有人只开孔不焊排气管。如果塔壳封头由多块板拼接制成时，拼接焊接接头处的裙座壳宜开缺口，如有此口，也可以当作排气孔。这两种形式既简单、经济又能起到了很好的作用。当裙座设有保温层或防火层时就必须设置排气管。设置排气管时，应控制排气管中心线到裙座壳顶端的距离。其高度、规格及数量可参见相应标准规定，但要使之起到真正的作用为宜。3.2基础环板和盖板及垫板

在计算时，如果地脚螺栓满足要求，就不要再加大，不要使之有太大富余，因为当加大地脚螺栓时，需要的基础环面积增加了，这样基础环板尺寸就需要加大。建议基础环板内、外环的尺寸要尽量参考相关标准。因为计算时，如果内、外环尺寸过大，矩形板的计算力矩将变大，使计算得到的基础环厚度增加，富余量太多，这样相当于从直径和厚度两方面增加了成本，很不经济。

塔设备设计有时会遇到这样的问题，如地脚螺栓计算合格了，可是盖板总是不合格，通常选用Q235－B的材质，可是超过其厚度范围也不行。这时有3个办法可以解决此问题：一是改用较高强度的材质，这样盖板的许用应力提高了，自然就满足要求了。二是如果此时盖板是分块可以改用整块，因为整块盖板的最大应力是分块时的0.75倍，即降低了其最大应力。三是增加垫板的厚度来弥补盖板的不足，当有垫板时，无论是分块还是整块盖板，垫板的厚度会降低盖板的最大应力，使之达到材料的允许范围。

4结语

在设计过程中，只要明白计算中相关数据的意义及之间的关系，不管是什么样的计算，都能得心应手。以上是塔设备设计过程中不可忽视的一些问题，还有很多在设计时需要注意的问题，在相关标准中都有明确注释。

参考文献

［1］GB150—1998钢制压力容器［S］.北京：中国标准出版社出版，1998.

［2］JB/T4710—2005钢制塔式容器［S］.北京：新华出版社，2005.

［3］TSG R0004—2009固定式压力容器安全技术监察规程［S］.北京：新华出版社，2009.

［4］全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器设计工程师培训教程［M］.北京：新华出版社，2005.（责任编辑：薛培荣）────────────────

第一作者简介：张建秀，女，1979年9月生，2004年毕业于河北科技大学，助理工程师，石家庄正元塔器设备有限公司，河北省石家庄市新华区翔翼路6号，050061.

最大管线

塔设备壳体

笼式扶梯

图1扶梯与最大管线关系图

Analysis on the Design of Tower－type Vessel

ZHANG Jian-xiu,LIU Guo-zhen

ABSTRACT：This paper analyzes some problems occurring in the course of cylindrical shell division,accessory calculation and skirt support design of the tower－type vessel,and puts forward some effective solutions.

KEY WORDS：tower－type vessel;cylindrical shell division;accessory calculation;skirt support design 张建秀，刘国振塔式容器设计问题解析本刊E-mail:bjb＠sxinfo．net实践与创新194