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=[]22i
t pD C p
σ+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125Mpa
Φ——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 1.610001000
i 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 2.3
20.5i
d 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 。

C 塔体上各项载荷计算
a 塔质量
塔体质量 1Q =3227.8510 3.14(0.80.78)18.425⨯⨯⨯-⨯=14351g k
34层塔盘等内件质量约为 2Q =4259g k
保温层（si δ=100mm ，每3m 质量0.5t ）质量
3Q =5500g k
操作平台（共九层，每层500g k ）及斜梯（总高28m ，每5m 重125kg ）质量 4Q =5200 kg
料液（按34层塔盘计）质量 5Q =4070 kg
裙座质量 6Q =1189 kg
充水质量
7Q =
230.7827.210129904kg π⨯⨯⨯= 塔操作时质量 11Q -=12345Q Q Q Q Q ++++=33380 kg
塔体与裙座操作时质量 00116Q Q Q --=+=34569 kg
全塔最大质量 00
max 123467Q Q Q Q Q Q Q -=+++++=43489 kg
全塔最小质量 m i n 146
Q Q Q Q =++=20740 kg b 塔体的风载荷及风力矩
风载荷P= 120i i e K K q f l D
1K =0.7;塔高29.475m 、i D =0.8m 时酌取2K =1.75,由《化工设备机械基础》查的0q =35510-⨯Mpa 。

i f 值如下：
6.4~10m 段'1l =10-6.4=3.6m 由《化工设备机械基础》查的1f =1.0
10~20m 段 2l =20-10=10m 2f =1.14
20~30m 段 3l =30-20=10m 3f =1.42
塔体有效直径ei D = 0342si D K K δ+++,对于斜梯取3K =200mm ，4K = 2/i A l ∑，其最大值为一计算塔段10m 中有四层平台，每层平台迎风面积为0.5 2m ，则
4K = 6
240.51040010000
mm ⨯⨯⨯= 为简化计算且偏安全计，各段均取ei D =1224+200+2100⨯+400=2024mm
塔体各段风力：
6.4~10m 段'1p ='
6121011110e K K q f l D ⨯=0.7 1.750.000551360020244909⨯⨯⨯⨯⨯=N
10~20m 2P =6122022210e K K q f l D ⨯=
0.7 1.750.00055 1.143600202414546N ⨯⨯⨯⨯⨯= 20~30m 3p =6123033310e K K q f l D ⨯=0.7 1.750.00055 1.423600202419364N ⨯⨯⨯⨯⨯= 塔体底部（1-1截面）弯矩
'11'''312121312()()222
W l l l M P P l P l l -=+++++ 式中'
1l ——塔体1-1截面到标高10m 处的距离，'
1l =10-6.4=3.6m 。

'
1P ——对应于'
1l 段的风力。

1136001000010000490914546(3600)19367(360010000)222
w M -=⨯+++++ =6448.1910N mm ⨯∙
裙座底部（0-0截面）弯矩
''00''
''
''
3121
21312()()222W l l l M P P l P l l -=+++++ 0056001000010000618514546(5600)19367(560010000)222
w M -=⨯+++++ =6570.4610N mm ⨯∙
D 塔体的强度及轴向稳定性验算
a 塔底危险截面（1-1）的各项轴向应力计算
1 2.380030.264415.2
i e pD MPa σδ⨯===⨯
1129.8333808.683.1480015.2
i e Q g MPa D σπδ-⨯⨯===⨯⨯ 116
322448.191058.690.7850.78580015.2
w i e M MPa D σδ-⨯===⨯⨯ b 塔体1-1截面抗压强度及轴向稳定性验算
[][]{}
max 23,t t cr K K σσσσσ=+≤ []125t MPa σ=
[]50.06/0.06 1.731015.2/600262.96t t cr e i E R MPa σδ==⨯⨯⨯=
[][]{}
max 238.6858.6967.37 1.2125150, 1.2262.96315.55t t cr MPa K MPa K σσσσσ=+=+=<=⨯==⨯= 因此塔底1-1截面满足抗压强度及轴向稳定条件。

c 塔底1-1截面抗拉强度校核
[]m a x 1
23t
e K σσσσσφ=-+≤ 因为 []t e K σφ= 1.21250.85127.5MPa =⨯⨯= []m a x 30.26
8.6858.6980.27t
M P a K σσφ=-+=< 故满足抗拉强度条件。

上述各项校核表明，塔体厚度n δ=20mm 可以满足整个塔体的强度、刚度及稳定性要求。

E 裙座的强度及稳定性验算
设裙座厚度ns δ=20mm ，厚度附加量C=1mm ，则裙座的有效厚度ns δ=20-1=19mm 。

a 裙座底部0-0截面轴向应力计算
操作时全塔质量引起的压应力
0029.8345697.13.1480019
is es Q g MPa D σπδ-⨯⨯===⨯⨯ 风载荷引起的0-0截面弯曲应力
006
322570.461059.760.7850.78580019
w is es M MPa D σδ-⨯===⨯⨯ b 裙座底部0-0截面的强度及轴向稳定性校核
[][]{}max 23,t t cr s K K σσσσσ=+≤
裙座材料采用Q235-A 钢，差《化工设备机械基础》得[][]20113t MPa σσ==
而 []50.06/0.06 2.01011/600220t
cr es is p s E R MPa σδσ==⨯⨯⨯=> 即裙座出现失稳之前，材料已达弹性极限，因此强度是主要制约因素。

由于 max 237.159.7666.86MPa σσσ=+=+=
因此满足强度及稳定性要求。

C 焊缝强度
此塔裙座与塔体采用对接焊缝，焊缝承受的组合拉应力为
σ=1120.785w i e M D δ--11i e Q g D πδ-⨯=62448.19100.78580019⨯⨯⨯-9.8333803.1480019
⨯⨯⨯ =46.95 6.85-=40.1Mpa<[]0.60.6 1.27755.44t
w K MPa σ=⨯⨯=.
因此焊缝强度足够。

式中[]t w σ为焊缝材料在操作温度下的许用应力，查《化工设备机械基
础》取77Mpa.
F 水压试验时塔的强度和稳定性验算。

A 水压试验时塔体1-1截面的强度条件 '()()0.92T i e T s e
e p p D δσσφδφ++=≤ 式中 p ——液体静压力，因塔体高约27m ，故取'0.27p MPa =
0.90.92350.85179.78s MPa σφ∙=⨯⨯=
由于 []0.36 1.25(133/125)0.27(80015.2)23.620.9215.20.85T s MPa σσφ⨯++==≤∙⨯⨯ 因此满足水压试验强度要求。

b 水压试验时裙座底部0-0截面的强度与轴向稳定条件
'Ts σ=0020.30.785w is es
M D δ-+00max is es Q g D πδ-⨯[]{}0.9,s cr s K K σσ≤ 式中 0.90.9 1.2
235253.8s K M P a σ=⨯⨯=。

[]cr s K σ 264p MPa σ≈>。

[]{}
6'29.8434890.3448.19108.9314.0923.020.9,800190.78580019Ts S cr s MPa K K σσσπ⨯⨯⨯=+=+=<⨯⨯⨯⨯因此满足强度与轴向稳定性要求。

G 裙座基础环设计
a 基础环内外径的确定。

外径 0031612243161540b S D D mm =+=+=
内径 014412241441000ib S D D mm =-=-=
b 基础环厚度设计
采用n=20个均布的地脚螺栓，将基础环固定在混凝土基础上，基础上筋板（设厚度2δ=24mm ）间的距离为
021540
2420220b
D l mm n ππδ⨯=-=-=
基础环的外伸宽度
001540122415822
b s D D b mm --===。

两筋板间基础环部分的长宽比
1580.781202
b l == 由《化工设备机械基础》查的20.181 2.715812313/s x M M N mm mm ==⨯⨯=∙ 基础环也采用Q235-A 钢，其厚度为
222.97224.97b C mm σ=
==+= 取b σ=25mm
H 地脚螺栓强度设计
塔设备在迎风侧作用在基础环上的最小应力为 B σ= 004400()32w b ib b
M D D D π---min 2200.785()b ib
Q g D D ⨯- =644570.4610(15401000)321540
π⨯--⨯22207409.80.785(15401000)
⨯- =6.53-0.19
=6.34 MPa
由于B σ>0为拉应力，设备可能翻到，必须安装地脚螺栓。

若材料选用16n M ，取[]bt σ=170MPa ，则螺栓的根径为
2i d C =
3=30.01+3=33.01mm
式中n——地脚螺栓数，取为20.
M的地脚螺栓。

根据《化工设备机械基础》，选用
36。