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1、第八章塔设备强度设计计算 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 一 塔体的强度计算 安装在室外的高度与直径比 H D 较大的塔设备 除承受操作压力外 还要承受质量载荷 风载荷 地震载荷偏心载荷等 在进行塔设备设计时必须根据受载情况进行强度计算与校核 按设计压力计算筒体及封头壁厚 按 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 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 操作压力 当塔为内压时 在塔壁上引起周向及轴向拉应力 当
2、塔为外压时 在塔壁上引起周向及轴向压应力 操作压力对裙座不起作用 质量载荷 塔设备的质量包括 m1 塔体和裙座质量 Kg m2 内件质量 Kg m3 保温材料质量 Kg m4 平台 扶梯质量 Kg m5 操作时塔内物料质量 Kg ma 人孔 接管 法兰等附件质量 Kg me 偏心质量 Kg mw 液压试验时 塔内充液质量 Kg 还包括在操作 停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量 m1 塔体和裙座质量 m2 内件质量 m3 保温材料质量 m4 平台 扶梯质量 m5 操作时塔内物料质量 ma 人孔 接管 法兰等附件质量 me 偏心质量 mw 液压试验时 塔内充液质量 3 风载荷 安装在室外的
3、自支承式塔设备 可视为支承在地基上的悬臂梁 塔设备在风力作用下 一方面产生顺风向的弯矩 即风弯矩 它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力 背风面一侧产生压应力 另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡 产生垂直于风向的诱发振动弯矩 诱发振动弯矩只在塔的H D较大 风速较大时比较明显 一般可忽略不计 需要考虑时 可将诱发共振弯矩与风弯矩按矢量叠加 1 水平风力的计算 风吹在塔上 在迎风面产生风压 风压的大小与风速 空气密度 所在的地区和季节有关 根据各地区离地面高度为10m处30年一遇10分钟内的平均风速最大值作为计算风压 得到该地区的基本风压q0 见表4 26 风的粘滞作用使风速随地面高度而变化
4、如果塔设备高于10m 则应分段计算各段的风载荷 视离地面高度的不同乘以高度变化系数fi 见表4 27 风压的大小还与塔设备的高度 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 式中 Pi 水平风力 N q0 基本风压值 N 2 见表4 26 但均不应小于250N 2 Li 第计算段长度 见风弯矩计算简图 mm fi 风压高度变化系数 按表4 27选取 K1 体型系数 圆柱直立设备取0 7 Dei 塔设备各计算段的有效直径 mm 4 45 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 按下式计算z 脉动增大系数 查表 Vi 第i段脉动影响系数
5、 查表 fzi 第i段振型系数 根据Hi H与m查表 2 风弯矩 在计算风载荷时 常常将塔设备沿塔高分成若干段 如图所示 一般习惯自地面起每隔10m分成一段 把每段内的风压值看为定值 按式 4 45 分段求出风载荷Pi后 即可近似的视为合力Pi作用在该段的1 2处而求风弯矩 任意截面的风弯矩 对于等直径 等壁厚的塔体和裙座体 风弯矩的最大值在各自的最低处 所以塔体和裙座体的最低截面为最危险截面 但在变截面的塔体及开有人孔的裙座体 由于各截面的受载断面和风弯矩都各不相同 很难判别那个是最危险截面 为此 必须选取各个可疑的截面作为计算截面并各自进行应力校核 各截面应能满足校核条件 图中0 0 1
6、1 2 2各截面都是薄弱部位 可选为计算截面 4 地震载荷 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 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 并把塔设备看成是固定在基础底面上的悬臂梁 1 水平地震力 对于实际应用的塔 全塔质量并不集中于顶点 而是按全塔或分段均布 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1 2处 即将塔设备化为多质点的弹性体系 由于多质点体系有多种振型 按照振动理论 对于任意高度hK处的集中质
7、量mK引起基本振型的水平地震力为 式中 FK1 集中质量mK引起的基本振型水平地震力 N Cz 综合影响系数 对圆筒形直立设备取Cz 0 5 mK 距离地面hK处的集中质量 见图 Kg hK1 基本振型参与系数 a1 对应与塔设备基本自振周期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 avmax 垂直地震影响系数最大值 avmax 0 65amaxmeq 塔设备的当量质量 meq 0 75m0任意质量i处垂直地震力 3 地震弯矩 塔设备任意计算截面i i的基本振型地震弯矩按式计算 式中MEii i 任意计算截面i i的基本振型地震弯矩 N
8、mm 对于等直径 等厚度塔设备的任意截面i i和底截面0 0的基本振型地震弯矩分别按式 4 51 和式 4 52 计算 当塔设备H D 15 或高度大于等于20m时 还需考虑高振型的影响 在进行稳定或其他验算时 地震弯矩可按式 4 53 计算 5 偏心载荷 当塔设备外部装有附属设备时 如塔顶冷凝器偏心安装 塔低外侧悬挂再沸器 这些偏心载荷除了引起轴向压应力外 还要产生轴向弯矩Me 这弯矩不沿塔的高度而变化 其值可按下式计算 式中 Me 偏心弯矩 N mm me 偏心质量 Kg g 重力加速度 m s2 e 偏心矩 即偏心质量的中心距塔设备轴线的距离 mm 圆筒的应力 1 塔设备由内压或外压引起
9、的轴向应力 式中 s1 由内压或外压引起的轴向应力 MPa p 设计压力 MPa Di 筒体内径 mm dei i i截面处筒体有效壁厚 mm 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 式中 s2 重量及垂直地震力引起的轴向应力 MPa moi i 任意计算截面i i以上塔体承受的操作或非操作时的质量 Kg 其中Fvi i仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项 3 最大弯矩在筒体内引起的轴向应力 各种载荷在塔设备上引起的弯矩有风弯矩MW 地震弯矩ME 偏心弯矩Me 由于所给的气象资料是该地区的最大平均风速和可能出现的最大地震烈度 而实际上 风载荷和地震载荷同时达到最大值的几
10、率是极小的 如按两者相加计算 未免过于保守 通常 在正常操作条件下最大弯矩按下式取值 水压试验的时间往往是人为选定的 而且实验时间较短 所以 在实验情况下最大弯矩取值最大弯矩在筒体中引起的轴向应力式中s3 最大弯矩在筒体中引起的轴向应力 MPa 筒体壁厚效核 最大轴向组合应力的计算各种载荷引起的轴向应力 以 表示拉应力 以 表示压应力 各种轴向应力的符号见表 1 内压操作的塔设备 最大组合轴向拉应力 出现在正常操作时的迎风侧 即 最大组合轴向压应力 出现在停修时的背风侧 即 2 外压操作的塔设备 最大组合轴向压应力 出现在正常操作时的背风侧 即 最大组合轴向拉应力 出现在停修时的迎风侧 即 2
11、 强度与稳定性校核 根据正常操作时或停车检修时的各种危险情况 求出的最大组合轴向应力 必须满足强度条件与稳定性条件 如表4 34所示 周向拉应力只进行强度校核 因为不存在稳定性问题 轴向压应力既要满足强度要求 又必须满足稳定性要求 进行双重校核 表4 34轴向最大应力的校核条件 3 水压试验时应力校核 1 关于拉应力 环向拉应力的验算 在第十五章有过阐述 最大组合轴向拉应力 2 设备充水 未加压 后最大质量和最大弯矩在壳体中引起的组合轴向压应力 式中K为载荷组合系数 取K 1 2 对于塔体而言 其最大的风弯矩引起的弯曲应力s3i i发生在裙座和塔体的连接截面2 2上 对于裙座来讲 s3i i的
12、最大应力发生在裙座底截面0 0或人孔截面1 1上 二 裙座 裙座是最常见的塔设备支承结构 如图所示 按所支承设备的高度与直径比 裙座可分成两种 一种是圆筒形 一种是圆锥形 由于圆筒形裙座制造方便和节省材料 所以被广泛采用 但对于承受较大风载荷和地震载荷的塔 需要配置较多的地角螺栓和承受面积较大的基础环 则采用圆锥形裙座支撑结构 群座体 Q235 A或16Mn 基础环板 螺栓座 基础螺栓 一 圆筒形群座体壁厚的验算 先参照筒体厚度试取一群座体壁厚 s验算危险截面的应力 群座体底截面和人孔截面 组合应力满足条件后 壁厚附加 圆整 二 基础环板设计 1 基础环板内 外径 2 基础环板厚度 背风侧外缘
13、压应力大 组合轴向压应力 1 基础环板上无筋板 基础环板厚度不小于16mm 基础环板厚度不小于16mm 2 基础环板上有筋板 Ms 计算力矩 按表4 35计算Mx和My 取绝对值较大 三 地脚螺栓 迎风侧可能出现零值甚至是拉应力基础面上由螺栓承受的最大拉应力为 B 0塔自身稳定 固定位置加螺栓 B 0 必须设地脚螺栓 螺纹小径 地脚螺栓个数取4的倍数 小直径塔取6个 圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24 四 群座与塔底封头焊接结构 对接焊缝压应力 轴向载荷较高 一般用于大型塔 搭接焊缝受剪应力 一般用于小型塔 1 群座体与塔体对接焊缝 J J截面的拉应力校核 2 群座体与塔体搭接焊缝 J J截面的剪应力校核 思考题 1 自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷 2 简述内压塔操作时的危险工况及强度校合条件 作业 结合模型设计一个换热器
