压力容器设计人员培训班讲稿-塔式容器.ppt

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1、2011年江苏省D类压力容器设计人员培训班,JB/T 4710 2005 标 准 学 习塔 式 容 器江苏省化工机械研究所有限责任公司韩 建 新,0.1 塔式容器在工艺上的作用：塔式容器是直立设备中的一种，它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到传质及传热的目的。在化工、炼油、医药、石化、轻纺、石油天然气等行业的蒸馏、吸收、解吸、萃取及气体的洗涤、冷却、增湿、干燥的单元操作中得到广泛的应用，是生产中最重要的设备之一。,0.塔式容器简介,0.2 塔式容器的主要特点是：体型高，长宽比大，荷载重，塔身除了承受压 力载荷、温度载荷外，还承受风载荷、地震载荷和 重量载荷。塔式容器的支座通常为裙式支座，

2、塔式 的整个重量都是由裙座支承。地脚螺栓又将裙座固 定在基础上。对于直径较小的塔式容器也有采用耳 座、圈座等支承方式。也有由操作平台连成一体的 塔群或排塔。,0.3 塔式容器的种类：从结构考虑：等直径等壁厚塔；等直径不同壁 厚塔；变径塔等。从塔内件考虑：空塔；填料塔；板式塔等。0.4 塔式容器设计的有关参考标准规范：1.GB50011-2001建筑抗震设计规范 2.GB50009-2001建筑结构载荷规范 3.SH 3098-2000 石油化工塔器设计规范 4.SH 3048-1999 石油化工钢制设备抗震设计 规范 5.HG 20652-1998 塔器设计技术规定,0.5 关于JB/T 47

3、10-2005：1.替代 JB 4710-2000（实际替代 JB 4710-1992)；2.与 GB 150-1998 相关内容一致；3.建筑结构载荷、抗震设计规范的更新；GB50011-2001建筑抗震设计规范GBJ11 GB50009-2001建筑结构载荷规范GBJ17 4.计算方法、设计方法的进步；如横向风的风振计算等；,一、总则：,1.适用范围 适用于：（1）设计应力不大于35Mpa,（2）H/D5，且高度H10m;（3）裙座自支承的塔式容器。H总高（指塔顶封头切线至裙座底部 的距离）；D塔壳的公称直径。对不等直径塔式容器：取各段公称直 径的加权平均值,适用范围是考虑下述因素制定的：

4、a.塔式容器振动时只作平面弯曲振动；b.高度小的塔式容器截面的弯曲应力小，计 算壁厚取决于压力载荷或最小厚度。c.塔式容器必须是自支承的。有牵引装置的塔式容器、由操作平台连成 一体的排塔或者塔群、带有夹套的塔式容 器不适用本标准（不适用范围）,说明：塔式容器属于高耸结构，其承受的载荷除考虑 设计压力与设计温度一起作为载荷条件外，还要考 虑风载荷、地震载荷、重量载荷、偏心载荷等的作 用。由于以上诸多载荷的存在，塔式容器的计算方 法也不同于一般的压力容器。高塔在压力较低时，风载荷、地震载荷决定了 塔器的壁厚；而低矮的塔器的壁厚大多数取决于压 力载荷和最小壁厚。裙座自支承是指由裙座支承在基础上的独立

5、塔 器，塔与塔之间，塔与框架之间毫无关连。这也使 计算自振特性时得以方便。,由于风载荷和地震载荷的计算都是动力计算，在 作动力计算时，可视塔器为一底端固定的悬臂梁。其振动形式为剪切振动或弯曲振动，有时也可为 剪、弯联合振动。当H/D4时，以剪切振动为主；4H/D10时为剪、弯联合振动；10H/D时以弯曲 振动为主。设计塔器时仅考虑弯曲振动，忽略了剪 切振动，才使得自振周期和地震计算得以简化。这 样给设计工作带来了极大方便。这样作的结果，使 自振周期变小，地震影响系数变大，计算出的地震 载荷与地震弯矩较考虑剪切变形时大，设计上略趋 于保守，但还是可行的。,2.塔式容器应考虑的载荷和工况：载荷：（

6、）设计时应考虑的载荷 a.内压或外压；b.液柱静压力；c.塔式容器自重（包括内件和填料等）以及正常 操作条件下和试验状态下内装物料的重力载荷；d.附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平 台等的重力载荷；e.风载荷和地震载荷；,需要时，还要考虑下列载荷：（标准中未给出计算方法）f.连接管道和其他部件引起的作用力；g.温度梯度和热膨胀不同引起的作用力；h.包括压力剧烈波动的冲击载荷；I.冲击反力，如由流体冲击引起的反力；j.运输和吊装时的作用力。,工况：对有不同工况的塔式容器，应按最苛刻工况设 计，并在设计图样注明各工况的压力温度值。（）a.安装工况；b.水压试验工况；c.操作工况；d.检修工况

7、（包括开停车时清吹扫等）。,载荷性质可以分为静载荷和动载荷，区别：a.载荷大小、方向甚至作用点等不随时间变化的 是静载荷，随时间变化的是动载荷。b.动载荷使结构产生加速度，引起结构振动。振 动过程中结构的位移和内力随时间变化，因此，求出来的解是随时间有关的系列，而静载荷的 解是单一的。c.动载荷计算与结构自身的振动特征（如自振频 率或周期、振型与阻尼）有关，而静载荷仅与 载荷大小、约束条件有关。,3.设计压力与设计温度（1）确定设计压力时，要考虑：装有超压泄放装置时，按GB150确定设计压力；对工作压力小于0.1MPa的内压塔式容器，设计压 力取不小于 0.1MPa；真空塔式容器按承受外压考虑

8、，无安全控制装置 时，设计压力取0.1 MPa；有两个或两个以上压力室组成的塔式容器，应分 别确定各室的设计压力。,（2）确定设计温度时，要考虑：设计温度不低于元件金属在工作状态下可能达到 的最高温度；金属温度低于 0时，设计温度不 高于元件金属可能达到的最低温度；塔式容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度；元件的金属温度可用传热计算求得，或在已使用 的同类塔式容器上测定，或按内部介质温度确定；裙座壳的设计温度取使用地区月平均最低气温的 最低值加20。,4.腐蚀裕量与最小厚度（1）腐蚀裕量：A.容器的塔体。a)应根据预期寿命和介质；利用金属材料的腐蚀 速率确定腐蚀裕

9、量；即C2=KB K腐蚀率 毫米/年 B构件设计寿命，一般为1520年 b)各元件受到腐蚀程度不同时，分别确定其腐蚀 裕量；,B.裙座和地脚螺栓 碳钢、低合金钢制裙座，腐蚀裕量取C22mm；地脚螺栓，腐蚀裕量取C23mm；C.塔器内件及附件的腐蚀裕量（参考）结构形式 受力状态 腐蚀裕量C2（1）不可拆卸或 受力 取塔壳腐蚀裕量 不能从人孔取出 不受力 取塔壳腐蚀裕量的1/2（2）可拆卸并可 受力 取塔壳腐蚀裕量的1/4 从人孔取出 不受力 0,最小厚度：A.容器壳体（成形后不包括腐蚀裕量）a)碳素钢、低合金钢制为2/1000的内直径、且不 小于3毫米；b)高合金钢制为2/1000 Di，不小于

10、2mm。B.裙座和地脚螺栓 a)裙座壳名义厚度不应小于6mm。b)裙座基础环不小于16mm;（SH3098)b)地脚螺栓直径，标准无限制，但工程上一般不 小于M 24，最大不超过M100。,5.材料的选用与许用应力：（1）材料的选用 受压元件 选用按GB150规定；非受压元件 材料标准、焊接性能；裙座材料 按受压元件用钢要求选用。裙座壳体支撑塔体的整个重量，它的破坏直接影 响塔器的正常使用。（2）许用应力 受压元件材料和螺栓材料按GB150;地脚螺栓:Q235 147MPa;Q345 170MPa 安全系数：碳钢 ns1.6;低合金钢 ns2.0;基础环、盖板和筋板:碳钢 147MPa;低合金

11、钢 170MPa,（3）圆筒B值的计算：1）计算系数 A=0.094 e/Di 2）按 GB 150 外压圆筒算图，查B值，或按 B=2 A Et/3 计算；（4）载荷组合系数K 因素：长期载荷效应与短期载荷效应不同。方法：在地震载荷、风载荷的作用下，计算壳体 和裙座的组合拉、压应力时，由于载荷为 短期作用载荷，许用应力值可以提高1.2 倍，即许用应力值乘系数 K=1.2。,二、结构：,1.裙座的型式：分为圆筒形和圆锥形两种。要求：圆锥形裙座的半锥顶角不超过15；无论圆筒形或圆锥形裙座壳其名义厚度不得 小于6mm。,选择：（1）一般选圆筒形裙座；（2）下列情况之一时，可考虑选用圆锥形裙座:a.

12、由于地脚螺栓数量多，且需保持一定的螺栓 间距；b.需增加裙座筒体的截面惯性矩；c.需降低混凝土基础顶面的压应力。,2.筒体与裙座的连接型式（对接、搭接）（1）对接：要求：裙座壳体外径宜与塔体封头外径相等；全焊透连续焊；焊接结构及尺寸见图。,SH 3098 中，下列情况应开坡口：1）可能引起横向振动的高塔（H/D20);2）塔釜为低温操作的 塔式容器；3）裙座与下封头焊缝 可能产生热疲劳时；4）裙座名义厚度 8mm时。,（2）搭接：分为搭接在封头与搭 接在筒体上两种。搭接在封头时，应位 于直边段；搭接在筒体上时，环 焊缝需磨平，且100 无损检测；搭接接头距环焊缝不 少于1.7倍筒体壁厚；角焊缝

13、应填满。,3.封头拼接焊缝处的缺口:当塔壳封头由多块钢板拼接制成时，拼接焊缝处的裙座壳应开缺口，如图所示。（尺寸见表73）按封头厚度 R=3570mm;厚度大于38mm，R=2倍封头厚度,4.隔气圈 当塔式容器下封头的设计温度大于或等于400 时，应设置隔气圈。隔气圈结构见图7-6、图7-7；隔气圈至封头切线的 尺寸 L可参照标准释 义表3-1。隔气圈作用：空气隔离，缓解了焊 缝处温差应力过高，或温差变化过大的情况，避免裙座与塔壳的连接 焊缝处产生较大的温差应力，造成破坏。,5.裙座上部排气孔、排气管 裙座上部应均匀设置排气孔；当裙座与封头拼接 焊缝处有缺口时，可不设 裙座有保温或防火层 时，

14、应设置排气管。规格、数量及尺寸 见表74、表75。,6.地脚螺栓座（1）结构1：由基础环、筋板、盖板和垫板组成，结构如图所示，该结构适用于 予埋地脚螺栓 和非予埋地脚 螺栓的情况。尺寸可参照标 准释义表3-2。,（2）结构2：中央地脚螺栓座结构，地脚螺栓中心圆直径小，用于地脚螺栓数量较 少，需予埋。对塔高较小的塔式容器，地脚螺 栓座可简化成 单环板结构。优点：结构简单；缺点：地脚螺栓座整 体强度不足。尺寸可参照标 准释义表3-3。,7.壳体、裙座上要考虑的其他结构 检查孔分圆形和长圆形两种；（7.7）引出孔引出管、加强管及支承板；（7.6）排净孔 保温支撑圈 裙座过渡段裙座与封头连接部分材料与

15、封 头相同（封头材料为低温用钢、不锈钢、铬钼 钢以及高温、低温时，可参见有关标准）,8.吊柱及吊耳：（1）吊柱：根据需要，可在塔顶设置吊柱。（）目的：为方便的安装和拆卸内件、填料等；吊柱选用的标准：HG/T 21639塔顶吊柱；安装位置：应满足吊柱中心线与人孔中心线有 合适的夹角。（2）吊耳：吊耳的结构、位置及数量应按吊装方式 和塔式容器的质量确定。（）目的：整体吊装；吊耳选用的标准，HGT 21574-2008；计算：吊耳计算、壳体局部应力计算等。,三、计算：,1.计算内容：（1）塔式容器的计算：自振周期 地震载荷水平地震力和垂直地震力；风载荷顺风向风振和横风向风振；塔的挠度计算等四部分。自

16、振周期用作地震载荷计算；地震载荷、风载荷用作截面弯矩计算；,（2）应力校核：壳体轴向应力校核；裙座壳轴向应力校核；地脚螺栓座计算；裙座与塔壳连接焊缝校核；塔体法兰当量设计压力等。除JB/T 4710 中的计算外，还需要：按GB150进行的筒体、封头、开孔补强计算等；局部应力计算；填料支撑粱、栅板等强度计算等。,（2）计算时所需准备计算条件：1）工艺必要的给定条件 2）塔设备设置地区的自然条件 地震设防烈度只考虑79度；设计地震加速度对应0.10.4g；设计地震分组分一、二、三组；可按GB50011-2001建筑抗震设计规范 场地土类别分、四类；基本风压值 可按GB50009-2001建筑结构载

17、荷规范 基本风压值取所在地10m高度50年一遇10min最大 平均风速为基本风速；基本风压值计算公式：地面粗糙度分A、B、C、D四类；,3）塔体的设计压力、设计温度，塔体（包括封头）材料及厚度附加量，裙座材料及厚度附加量，塔 壳焊接接头系数，塔体与裙座的焊接结构等；4）计算需要的质量（最小、操作及最大重量）；5）确定危险截面位置；一般来说，危险截面为：a.塔器裙座底截面。b.裙座上开设人孔、引出管孔的中心位置截面。c.塔器筒体与裙座对接焊缝（或搭接）处截面。d.塔体等直径筒节上筒体壁厚变化处截面。e.塔体筒体直径变化的截面。,6）对塔体进行分段：在作自振周期、地震载荷计算中分段与质量的不 均匀

18、变化有关；作风载荷计算时分段方法可不同于前者，分段越 多，就越接近于实际的风载荷分布情况，塔体分 段原则为：a.危险截面处必须分段；b.每一段几何形状没有突变，每一段应是一个几 何连续体。如直径、壁厚相等的圆筒，半顶角 不变的锥壳。c.每一段的刚度连续，即要求分段的壳体厚度相 等。d.每一段质量分布没有突变，如筒体中有一定液 位，气液分界面必须分开。,2.自振周期（1）名词术语：自由度：指振动过程中任何瞬时都触完全确定系统 在空间的几何位置所需的独立坐标数目。振型：振动时任何瞬间各点位移之间的相对比 值，即整个体系具有的确定的振动形态。一般取前三个振型，如下图所示。自振周期：设备以某固有频率作

19、自由振动时的振 动周期称为自振周期。,（2）模型的简化：简化成一端自由、一端固定的臂梁，做平面弯曲 振动，对等直径、等壁厚的塔式容器，按弹性连续 体公式计算。不等直径或不等壁厚的塔式容器按多 自由度体系进行计算，方法：a)首先将各段的分布质量聚缩成集中质量；b)利用机械触守恒定律，并近似地给出振型函 数，即可得到自振周期公式，c)一般仅限于基本振型，原因：二、三振型函数 难以确定。,（3）高振型计算：（标准规定H/D15,且H20m时）按附录B计算，对等直径、等壁厚的塔式容 器，可近似取：T2=1/6T1 T3=1/18T1,（4）自振周期的计算：对等直径、等壁厚的塔式容器 解析法计算中把塔视

20、为质量均匀的悬壁梁作无 阻尼自由振动，单自由度体系的自振周期 m 质点的质量；y顶端作用单位力时的挠度，为体系的柔 度，对塔式容器：带入上式得出等直径等厚度的塔式容器自振周期公式（85）自振周期值随设备的质量和高度增加而增大,对于直径、厚度或材料沿高 度变化的塔式容器视为一个多 质点体系。其基本自振周期式：其中截面惯性矩：圆筒段 圆锥段,3.地震载荷计算：（1）水平地震力计算：计算公式（86）1 为地震影响系数，设计时可利用反应谱曲线查取；1k 振型参与系数；mk 质点质量；g 重力加速度；系数：衰减系数 斜率调整系数 阻尼调整系数,地震载荷设计参数：（1）地震设防烈度：烈度某一地区地面各类结

21、构物和建筑物宏观破 坏程度。基本烈度指在一定期限内，一个地区可能普遍 遭遇到的最大烈度，目前为50年超越 概率为10%的烈度。设防烈度按国家规定的权限批准作为一个地区 抗震设防依据的地震烈度。（2）设计地震加速度：地震时地面运动的加速度,（3）设计地震分组：表征地震震级及震中距影响与场地特征 周期与峰值加速度有关的参量。（4）场地土类别：抗震设防目标：当遭遇到多遇地震时，塔式容器处于正常使用 状态（工作状态是弹性状态）；遭遇到相当于基本烈度时，结构进入弹塑状态;遭遇到罕遇地震时，应能够控制其变形，避免 倒塌。,（2）垂直地震力计算：任意质量处的垂直地震力 任意计算截面的 垂直地震力 在设防烈度

22、为八 度和九度地区应 考虑垂直地震力 作用,（2）垂直地震力计算：塔式容器底截面处总的垂直地震力 垂直地震影响系数 塔式容器当量质量（3）地震弯矩：任意计算截面基本振型的地震弯矩 高振型塔式容器任意计算截面的地震组合弯矩（H/D 15，且高度大于等于20m时）。,3.风载荷计算：（1）顺风向水平风力的计算 计算公式（817）体型系数 风作用在物体表面上所引起的 实际压力与风速度压的比值 对圆截面K1=0.7，平面K1=1.4 风振系数,基本风压值 风压当风以一定速度运动时，垂直于风向的平面 上所有受到的压力。基本风压风载荷的基准压力，按我国荷载规范规 定为十米高度处五十年一遇十分钟的最大平 均

23、风速，再考虑空气密度按公式 计算得出；标准规定：风压高度变化系数 任意高度处风压与10米高度处的风压之比，与高度和 地面粗糙度有关：地面粗糙度风在到达结构以前吹越过2公里范围内 的地面时，描述地面上不规则障碍分布状况等级,与风振有关的系数 顺向风水平风力的计算公式：其中第一项为平均风压的静力作用；第二项为脉动风压的动力作用；两项合并后，令 形成（817）脉动增大系数脉动风作用产生的振幅与脉动载荷以静 力方式作用产生位移之比；（表84）式中：,脉动影响系数反映脉动风压沿高度变化及其空间相关性 系数，与高度和地面粗糙度类别有关；振型系数与计算截面距地面高度和塔总高有关的系数；,计算段有效直径 当笼

24、式扶梯与塔顶管线成180o时：当笼式扶梯与塔顶管线成90o时：取大值,（2）横风向风振计算（附录A）当H/D15且H30m时，还应计算横风 向风振。（）横风向风振产生原因 气流绕过圆截面柱体时，压强和速度产生变化，形成卡曼涡街效应，并给柱体一个横向推力，使柱 体沿垂直于风的流动方向上产生振动。,计算步骤 1）计算临界风速（塔共振时的风速）计算塔顶设计风速 2）判别是否产生共振 vvc1 不需考虑塔器共振 vc1vvc2 必须考虑第一振型振动 vvc2 考虑第一、二振型振动。3）计算塔体共振时横风向塔顶振幅和塔体弯矩,（3）风弯矩 顺风向水平风力产生的计算截面弯矩 塔体共振时组合风弯矩（A.6）

25、取大值,4、最大弯矩计算：,四、应力校核（设计）1.圆筒形塔体轴向应力校核 轴向应力 由内压或外压引起 由重力及垂直地震力引起 由弯矩引起的轴向应力 最大组合拉应力 内压容器 外压容器,最大组合压应力 内压容器 外压容器 许用轴向压应力 注：1.计算压力取绝对值；2.垂直地震力仅在最大弯矩为地震弯矩计入；3.圆锥形筒体计算与圆筒相似，考虑cos。,2.压力试验时的应力校核 圆筒应力 由试验压力引起 由重力引起 由弯矩引起 轴向拉应力 液压试验时 气压试验时 轴向压应力 许用轴向压应力,3.裙座壳轴向应力校核（1）裙座壳底截面的应力 操作工况：液压试验：（2）裙座壳检查孔截面 操作工况：液压试验

26、工况：,4.地脚螺栓座应力校核（1）计算元件 基础环（无筋板、有筋板）筋板 盖板（分块、环形）地脚螺栓（2）基础板的计算 由重力和弯矩共同 引起的压应力；承压面积、厚度；混凝土的压应力；（）,（3）地脚螺栓 地脚螺栓承受的最大拉应力 拉应力小于等于0，地脚螺栓起固定作用；拉应力大于0，应校核数量、根径；（4）筋板 按压杆计算；（5）盖板 螺栓力作用下的 受弯曲载荷的板；,5.裙座与塔壳焊缝的应力校核 搭接焊缝的剪应力 对接焊缝的拉应力 6.塔体连接法兰的当量压力,7、塔顶挠度计算：（附录C）计算方法：等直径且等壁厚 等直径不等壁厚 不等直径不等壁厚,挠度的控制值：JB/T 4710:按工程设计

27、要求确定；SH 3098、HG 20652:DN1000mm时，YDH/100;1000mm2000mm时，YDH/200；美国埃索公司 H/160 伯克托公司 H/170 美国科学设计公司、凯洛格公司 H/200 西德伍德公司 填料塔 H/100 板式塔 H/200 挠度控制值过大产生较大的附加弯矩（偏心载 荷）；使塔盘效率降低；影响管道法兰连 接的密封性等；挠度控制值过小增加塔体壁厚，提高材料和制 造费用；,五、制造、检验与验收:,（1）外形尺寸公差应符合图91和91的规定；（2）吊耳与塔壳之间焊接接头应作磁粉或渗透检测；（3）作局部应力校核计算的与塔体之间连接件的焊接 接头应作磁粉或渗透

28、检测；（4）裙座与塔壳的焊接接头应连续，对接应全焊透、搭接角焊缝应填满；塔壳材料标准抗拉强度大于 等于540MPa时，应作磁粉或渗透检测；（5）图样中液压试验的试验压力要注明卧置、立置；（6）需进行整体热处理的塔式容器，连接件与塔壳的 焊接应在热处理前完成。,参考：,支承条件不满足JB/T4710的塔式容器的计算：1.用耳座或圈座支承的塔式容器 1）参照JB/T4712中耳座的计算；2）风载荷计算时，从偏于安全考虑，只计算支座 上部筒体面积承受的风载荷；参照JPI规定 3）支座位置的筒体应局部应力计算；4）采用圈座结构可降低筒体局部应力，计算方法 参照HGJ20582或NB/T 47003.1。,2.塔体中部加支承的塔式容器 1）参照挠度计算方法，计算出无中间支承时，支承部位的最大挠度；2）设中间支承处允许最大挠度，计算中间支承 处附加反力；3）按风载荷和附加反力计算风弯矩；4）按一端固支、支承部位铰支的悬臂梁（静不 定梁）计算地震弯矩；（自振周期改变、地 震影响系数取最大值）5）按上述计算的风弯矩、地震弯矩确定计算截 面最大弯矩。,2011年江苏省D类压力容器设计人员培训班,谢谢各位！,