化工设备设计基础第八章_塔设备强度设计计算PPT课件
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实际全塔质量按全 塔或分段均布。
计算地震载荷与计 算风载荷一样， 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
17
有多种振型，任意高度hK处集 中质量mK引起基本振型的水平
ah 地震力 F K 1C z 1K 1m Kg
FK1-mK引起的基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；
应力和轴向弯矩Me，
Me mege
21
㈢ 圆筒的应力
1．塔设备由内压或外压引起的轴向
应力
1
pc Di
4 ei
2．操作或非操作时，重量及垂直地
震力引起的轴向应力（压应力）
2
mii 0
g
Fvii
Diei
22
3．最大弯矩在筒体内引起的轴向
应力
风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩 Me。
最大平均风速和可能出现的最大地震 烈度，同时达到最大值的几率极小。
K2i-塔设备各计算段的风振系数，
当塔高H≤20m时，取K2i=1.7；
当H>20m时，
K2i
1vifzi
fi
z-脉动增大系数，按表4-28查取；
Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表
4-30；
（2）风弯矩
一般习惯自地面起每 隔10m一段，风压定
6
２． 质量载荷
塔设备质量包括：
m1:塔体和裙座质量；
m2:内件；m3:保温材料；
m4:平台、扶梯质量；
m5:操作时塔内物料质量；
ma:人孔、接管、法兰等附件质量；
me:偏心；mw:液压试验时，塔内充液质量；
操作停修或水压试验等不同工况物料或充
水质量。
7
m1:塔体和裙座质量； 设备操作时质量：
m2:内件质量； m3:保温材料质量； m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料； ma:人孔、接管等附件； me:偏心质量； mw:液压试验塔内充液
得到该地区的基本风压q0，见表4-26。
风速随地面高度而变化。塔高于10m，应 分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘
以高度变化系数fi，见表4-27。 10
风压还与塔高度、直径、形状以及自振周 期有关。两相邻计算截面间的水平风力为：
P i K 1K 2iq0fiL iD e i 1 6 0
Pi-水平风力； q0-基本风压值，见表4-26，但 均不应小于250N/ｍ2； fi-风压高度变化系数，表4-27 Li-第计算段长度； Dei-塔各计算段有效直径； K1-体型系数，圆柱直立设备0.7 K2i-各计算段风振系数，
M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me
设备最大质量 （水压试验时）：
Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me
0.2m2:部分内件焊在塔体 设备最小质量：
空塔吊装，如未装保温层、 mmin =m1+0.2m2
平除台m3和、m扶4。梯等，则mmin应扣
+m3+m4 +ma+me
8
3. 风载荷
通常操作下最大弯矩按下式取值：
Mm iia x M M W E ii ii 0 M .2e M 5W iiMe
(取大 )
23
水压试验时间人为选定且时间较 短，在实验情况下最大弯矩取值
M m iia x0.3M W ii M e
mK-距离地面hK处的集中质量；
n
h 1.5 K
m
i
h
1 i
.5
hK1-基本振型参与系数， h K 1
i 1
n
m
i
h
3 i
i 1
a1-对应与塔基本自振周期T1的地震影响系数a值。
（2）垂直地震力
防烈度8度或9度的塔应考虑垂直地震力
塔底截面处垂直地震力：F00 a mam xeqg
avmax-垂直地震影响系数最大值， avmax= 0.65amax
a M E i i i8 1 C zH 1 7 m 2 0 .5 g 5 1H 0 3 .5 1H 4 2 .5 h 4 h 3 .5
H/D>15，或高度大于等
于20m时，考虑高振型
ME ii
1.25 M 20 E iii
5. 偏心载荷
塔外附属设 塔顶冷凝器偏心安装 塔底外侧悬挂再沸器 偏心载荷引起轴向压
第八章 塔设备强度设 计计算
1
主要内容：
➢了解塔所承受载荷的特点。 ➢熟悉塔体和裙座承受的各项
载荷计算及强度校核步骤。 ➢能够确定塔体和裙座体危险
截面，并掌握塔体壁厚的校 核方法。
2
一、塔体 强度计算
室外H/D较
大的塔，
操作压力、
质量载荷、
风载荷、
地震载荷
偏心载荷等
3
㈠ 按设计压力计算筒体及封 头壁厚
meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0
任意质量i处垂直地震力：
Fii nmihi F00 i1,2,,n
mkhk
19
k1
（3）地震弯矩
任意截面i-i基本振型地震弯矩：
n
Mii Ei
FK1 hKh
i1
M00 Ei
1365Cza1m0gH
等直径、等厚度塔的任意截面i-i和底
截面0-0的基本振型地震弯矩：
值。求出风载荷Pi
P i K 1K 2iq0fiL iD e i 1 6 0
任意截面的风弯矩：
Mwii
Pi
Li 2
Pi1 Li
Li1 2
Pi2
ห้องสมุดไป่ตู้
Li
Li1
Li2 2
13
等直径、等壁厚塔体 和裙座，风弯矩最 大值为最危险截面。
变截面塔体及开有人 孔的裙座体，各个 可疑的截面各自进 行应力校核。
图中0-0、1-1、2-2各
截面都是薄弱部位，
可选为计算截面。
14
4. 地震载荷
地震烈度七度及以上地区，设计 时必须考虑地震载荷。
地震波作用下： 水平方向振动、 垂直方向振动、 扭转
15
其中以水平方向振动 危害较大。 计算地震力时，仅考 虑水平地震力，并把 塔设备看成是悬臂梁。
16
（1）水平地震力
室外自支承塔为悬臂梁。 产生风弯矩， 迎风面拉应力， 背风面压应力。
塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于
风向的诱发振动弯矩。只在塔H/D较
大、风速较大时较明显，一般可忽略。
考虑两弯矩矢量叠加。
9
（1）水平风力的计算
迎风面产生风压。与风速、 空气密度、地区和季节有关。 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，
按第十五章"容器设计基础" 中内压、外压容器的设计方法， 计算塔体和封头的有效厚度。
4
㈡ 塔设备所承受的各种载荷 计算
以下要讨论的载荷主要有： 操作压力； 质量载荷； 风载荷； 地震载荷； 偏心载荷。
5
１． 操作压力
➢内压塔，周向及轴向拉应力； ➢外压塔，周向及轴向压应力。 ➢操作压力对裙座不起作用。
计算地震载荷与计 算风载荷一样， 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
17
有多种振型，任意高度hK处集 中质量mK引起基本振型的水平
ah 地震力 F K 1C z 1K 1m Kg
FK1-mK引起的基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；
应力和轴向弯矩Me，
Me mege
21
㈢ 圆筒的应力
1．塔设备由内压或外压引起的轴向
应力
1
pc Di
4 ei
2．操作或非操作时，重量及垂直地
震力引起的轴向应力（压应力）
2
mii 0
g
Fvii
Diei
22
3．最大弯矩在筒体内引起的轴向
应力
风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩 Me。
最大平均风速和可能出现的最大地震 烈度，同时达到最大值的几率极小。
K2i-塔设备各计算段的风振系数，
当塔高H≤20m时，取K2i=1.7；
当H>20m时，
K2i
1vifzi
fi
z-脉动增大系数，按表4-28查取；
Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表
4-30；
（2）风弯矩
一般习惯自地面起每 隔10m一段，风压定
6
２． 质量载荷
塔设备质量包括：
m1:塔体和裙座质量；
m2:内件；m3:保温材料；
m4:平台、扶梯质量；
m5:操作时塔内物料质量；
ma:人孔、接管、法兰等附件质量；
me:偏心；mw:液压试验时，塔内充液质量；
操作停修或水压试验等不同工况物料或充
水质量。
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m1:塔体和裙座质量； 设备操作时质量：
m2:内件质量； m3:保温材料质量； m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料； ma:人孔、接管等附件； me:偏心质量； mw:液压试验塔内充液
得到该地区的基本风压q0，见表4-26。
风速随地面高度而变化。塔高于10m，应 分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘
以高度变化系数fi，见表4-27。 10
风压还与塔高度、直径、形状以及自振周 期有关。两相邻计算截面间的水平风力为：
P i K 1K 2iq0fiL iD e i 1 6 0
Pi-水平风力； q0-基本风压值，见表4-26，但 均不应小于250N/ｍ2； fi-风压高度变化系数，表4-27 Li-第计算段长度； Dei-塔各计算段有效直径； K1-体型系数，圆柱直立设备0.7 K2i-各计算段风振系数，
M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me
设备最大质量 （水压试验时）：
Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me
0.2m2:部分内件焊在塔体 设备最小质量：
空塔吊装，如未装保温层、 mmin =m1+0.2m2
平除台m3和、m扶4。梯等，则mmin应扣
+m3+m4 +ma+me
8
3. 风载荷
通常操作下最大弯矩按下式取值：
Mm iia x M M W E ii ii 0 M .2e M 5W iiMe
(取大 )
23
水压试验时间人为选定且时间较 短，在实验情况下最大弯矩取值
M m iia x0.3M W ii M e
mK-距离地面hK处的集中质量；
n
h 1.5 K
m
i
h
1 i
.5
hK1-基本振型参与系数， h K 1
i 1
n
m
i
h
3 i
i 1
a1-对应与塔基本自振周期T1的地震影响系数a值。
（2）垂直地震力
防烈度8度或9度的塔应考虑垂直地震力
塔底截面处垂直地震力：F00 a mam xeqg
avmax-垂直地震影响系数最大值， avmax= 0.65amax
a M E i i i8 1 C zH 1 7 m 2 0 .5 g 5 1H 0 3 .5 1H 4 2 .5 h 4 h 3 .5
H/D>15，或高度大于等
于20m时，考虑高振型
ME ii
1.25 M 20 E iii
5. 偏心载荷
塔外附属设 塔顶冷凝器偏心安装 塔底外侧悬挂再沸器 偏心载荷引起轴向压
第八章 塔设备强度设 计计算
1
主要内容：
➢了解塔所承受载荷的特点。 ➢熟悉塔体和裙座承受的各项
载荷计算及强度校核步骤。 ➢能够确定塔体和裙座体危险
截面，并掌握塔体壁厚的校 核方法。
2
一、塔体 强度计算
室外H/D较
大的塔，
操作压力、
质量载荷、
风载荷、
地震载荷
偏心载荷等
3
㈠ 按设计压力计算筒体及封 头壁厚
meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0
任意质量i处垂直地震力：
Fii nmihi F00 i1,2,,n
mkhk
19
k1
（3）地震弯矩
任意截面i-i基本振型地震弯矩：
n
Mii Ei
FK1 hKh
i1
M00 Ei
1365Cza1m0gH
等直径、等厚度塔的任意截面i-i和底
截面0-0的基本振型地震弯矩：
值。求出风载荷Pi
P i K 1K 2iq0fiL iD e i 1 6 0
任意截面的风弯矩：
Mwii
Pi
Li 2
Pi1 Li
Li1 2
Pi2
ห้องสมุดไป่ตู้
Li
Li1
Li2 2
13
等直径、等壁厚塔体 和裙座，风弯矩最 大值为最危险截面。
变截面塔体及开有人 孔的裙座体，各个 可疑的截面各自进 行应力校核。
图中0-0、1-1、2-2各
截面都是薄弱部位，
可选为计算截面。
14
4. 地震载荷
地震烈度七度及以上地区，设计 时必须考虑地震载荷。
地震波作用下： 水平方向振动、 垂直方向振动、 扭转
15
其中以水平方向振动 危害较大。 计算地震力时，仅考 虑水平地震力，并把 塔设备看成是悬臂梁。
16
（1）水平地震力
室外自支承塔为悬臂梁。 产生风弯矩， 迎风面拉应力， 背风面压应力。
塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于
风向的诱发振动弯矩。只在塔H/D较
大、风速较大时较明显，一般可忽略。
考虑两弯矩矢量叠加。
9
（1）水平风力的计算
迎风面产生风压。与风速、 空气密度、地区和季节有关。 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，
按第十五章"容器设计基础" 中内压、外压容器的设计方法， 计算塔体和封头的有效厚度。
4
㈡ 塔设备所承受的各种载荷 计算
以下要讨论的载荷主要有： 操作压力； 质量载荷； 风载荷； 地震载荷； 偏心载荷。
5
１． 操作压力
➢内压塔，周向及轴向拉应力； ➢外压塔，周向及轴向压应力。 ➢操作压力对裙座不起作用。