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1、第十七章第十七章塔设备强度设计计算塔设备强度设计计算主要内容：主要内容：了解塔所承受载荷的特点。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熟悉塔体和裙座承受的各项载荷计算及强度校核步骤。算及强度校核步骤。能够确定塔体和裙座体危险截面，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。并掌握塔体壁厚的校核方法。一、塔体强一、塔体强度计算度计算室外室外H/D较大较大的塔：的塔：操作压力、操作压力、质量载荷、质量载荷、风载荷、风载荷、地震载荷、地震载荷、偏心载荷等。偏心载荷等。 按设计压力计算筒体及封头壁厚按设计压力计算筒体及封头壁厚 按压力容器设计中内压、外压容按压力容器设计中内
2、压、外压容器的设计方法，计算塔体和封头的有器的设计方法，计算塔体和封头的有效厚度。效厚度。 塔设备所承受的各种载荷计算塔设备所承受的各种载荷计算1.1.操作压力操作压力；2.2.质量载荷；质量载荷；3.3.风载荷；风载荷；4.4.地震载荷；地震载荷；5.5.偏心载荷。偏心载荷。 操作压力操作压力内压塔，周向及轴向拉应力；内压塔，周向及轴向拉应力；外压塔，周向及轴向压应力。外压塔，周向及轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。操作压力对裙座不起作用。 质量载荷质量载荷塔设备质量包括：塔设备质量包括：m1:塔体和裙座质量；塔体和裙座质量；m2:内件；内件；m3:保温材料；保温材料；m4:平台、扶梯质量
3、；平台、扶梯质量；m5:操作时塔内物料质量；操作时塔内物料质量；ma:人孔、接管、法兰等附件质量；人孔、接管、法兰等附件质量；me:偏心；偏心；mw:液压试验时，塔内充液质量；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）（操作停修或水压试验等不同工况物料或充水质量）m1:塔体和裙座质量；塔体和裙座质量；m2:内件质量；内件质量；m3:保温材料质量；保温材料质量；m4:平台、扶梯质量；平台、扶梯质量；m5:操作时塔内物料；操作时塔内物料；ma:人孔、接管等附件；人孔、接管等附件；me:偏心质量；偏心质量；mw:液压试验塔内充液液压试验塔内充液设备操作时质量：设备操作时
4、质量：M0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me设备最大质量设备最大质量（水压试验时）：（水压试验时）：Mmax=m1+m2+m3+m4+mw+ma+me设备最小质量：设备最小质量：mmin=m1+0.2m2+m3+m4+ma+me0.2m2:部分内件焊在塔体。部分内件焊在塔体。空塔吊装，如未装保温层、平空塔吊装，如未装保温层、平台、扶梯等，则台、扶梯等，则mmin应扣除应扣除m3和和m4。3. 3. 风载荷风载荷室外自支承塔为悬臂梁：室外自支承塔为悬臂梁：产生风弯矩，产生风弯矩，迎风面拉应力，迎风面拉应力，背风面压应力。背风面压应力。塔塔H/D较大、风速较大时：塔背后气流引起周期较大、风
5、速较大时：塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于风向的诱发振动弯矩，考虑两弯性旋涡，垂直于风向的诱发振动弯矩，考虑两弯矩矢量叠加。矩矢量叠加。（1 1）水平风力的计算）水平风力的计算迎风面产生风压。迎风面产生风压。与风速、空气密度、地区和季节有关。与风速、空气密度、地区和季节有关。各地离地面各地离地面10m处处30年一遇年一遇10分钟内平均风分钟内平均风速最大值作为计算风压，得到该地区的基本速最大值作为计算风压，得到该地区的基本风压风压q0。塔高于塔高于10m，分段计算风载荷分段计算风载荷，视离地面高，视离地面高度的不同乘以高度变化系数度的不同乘以高度变化系数fi。风压还与塔高度、直径、形状以及自振
6、周期有关。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：两相邻计算截面间的水平风力为：Pi-水平风力；水平风力；q0-基本风压值，不小于基本风压值，不小于250N/2；fi-风压高度变化系数风压高度变化系数Li-第第i计算段长度；计算段长度；Dei-塔各计算段有效直径；塔各计算段有效直径；K1-体型系数，圆柱直立设备体型系数，圆柱直立设备0.7；K2i-各计算段风振系数，各计算段风振系数，z z- -脉动增大系数脉动增大系数V Vi i- -第第i i段脉动影响系数段脉动影响系数f fzizi- - 第第i i段振型系数，根据段振型系数，根据H Hi i/ /H H
7、与与m m查查表表K2i-塔设备各计算段的风振系数，当塔高塔设备各计算段的风振系数，当塔高20m时，时，取取K2i=1.7；当；当H20m时，时，（2 2）风弯矩）风弯矩任意截面的风弯矩：任意截面的风弯矩：一般习惯自地面起每隔一般习惯自地面起每隔10m10m一段，风压定值。求出风一段，风压定值。求出风载荷载荷P Pi i1.等直径、等壁厚塔体等直径、等壁厚塔体和裙座，风弯矩最大和裙座，风弯矩最大值值为最危险截面为最危险截面。2.变截面塔体及开有人变截面塔体及开有人孔的裙座体孔的裙座体，各个可各个可疑的截面各自进行应疑的截面各自进行应力校核力校核。3.图中图中0-0、1-1、2-2各各截面都是薄
8、弱部位，截面都是薄弱部位，可选为计算截面。可选为计算截面。4. 4. 地震载荷地震载荷地震烈度七度及以上地区，设计时必地震烈度七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷。须考虑地震载荷。地震波作用下：地震波作用下：水平方向振动、水平方向振动、垂直方向振动、垂直方向振动、扭转。扭转。n其中以水平方向振动危其中以水平方向振动危害较大。害较大。n计算地震力时，仅考虑计算地震力时，仅考虑水平地震力，并把塔设备水平地震力，并把塔设备看成是悬臂梁。看成是悬臂梁。（1 1）水平地震力）水平地震力实际全塔质量按全塔实际全塔质量按全塔或分段均布。或分段均布。计算地震载荷与计算计算地震载荷与计算风载荷一样，将全塔风载
9、荷一样，将全塔沿高度分成若干段，沿高度分成若干段，每一段质量视为集中每一段质量视为集中于该段于该段1/21/2处。处。FK1-引起的基本振型水平地震力；引起的基本振型水平地震力；Cz-综合影响系数，直立圆筒综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；mK-距离地面距离地面hK处的集中质量；处的集中质量；h hK1K1- -基本振型参与系数，基本振型参与系数，a a1 1- -对应与塔基本自振周期对应与塔基本自振周期T T1 1的地震影响系数的地震影响系数a a值。值。n有多种振型，任意高度有多种振型，任意高度hK处集中质处集中质量量mK引起基本振型的水平地震力：引起基本振型的水平地震力：（2 2）垂直
10、地震力）垂直地震力防烈度防烈度8 8度或度或9 9度的塔应考虑垂直地震力；度的塔应考虑垂直地震力；塔底截面处垂直地震力：塔底截面处垂直地震力：a avmaxvmax- -垂直地震影响系数最大值，垂直地震影响系数最大值， a avmaxvmax= 0.65= 0.65a amaxmaxm meqeq- -塔设备的当量质量，塔设备的当量质量， m meqeq=0.75=0.75m m0 0 任意质量任意质量i i处垂直地震力：处垂直地震力：（3 3）地震弯矩）地震弯矩任意截面任意截面i i- -i i基本振型地震弯矩：基本振型地震弯矩： 等直径、等厚度塔的任意截面等直径、等厚度塔的任意截面i i-
11、 -i i和底截面和底截面0-00-0的基本振型地震弯矩：的基本振型地震弯矩： H/D15，或高度大于等于，或高度大于等于20m时，考虑高振型：时，考虑高振型：5. 5. 偏心载荷偏心载荷塔外附属设备；塔外附属设备；塔顶冷凝器偏心安装；塔顶冷凝器偏心安装；塔底外侧悬挂再沸器；塔底外侧悬挂再沸器；偏心载荷引起轴向压应偏心载荷引起轴向压应力和轴向弯矩力和轴向弯矩Me： 圆筒的应力圆筒的应力 1 1塔设备由内压或外压引起的轴向应力塔设备由内压或外压引起的轴向应力2 2操作或非操作时，重量及垂直地震力操作或非操作时，重量及垂直地震力引起的轴向应力（压应力）引起的轴向应力（压应力）3 3最大弯矩在筒体内
12、引起的轴向应力最大弯矩在筒体内引起的轴向应力风弯矩风弯矩MW、地震弯矩、地震弯矩ME、偏心弯矩、偏心弯矩Me。最大平均风速和可能出现的最大地震烈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。度，同时达到最大值的几率极小。通常操作下最大弯矩按下式取值：通常操作下最大弯矩按下式取值：最大弯矩在筒体中引起轴向应力：最大弯矩在筒体中引起轴向应力：水压试验情况下最大弯矩取值：水压试验情况下最大弯矩取值： 筒体壁厚效核筒体壁厚效核最大轴向组合应力的计算最大轴向组合应力的计算内压塔设备内压塔设备外压塔设备外压塔设备正常操作正常操作停修停修正常操作正常操作停修停修迎风迎风 背风背风 迎风迎风
13、 背风背风迎风迎风背风背风迎风迎风背背风风应力应力状态状态s1+0-0s2-s s3+-+-+-+-s smaxs s1-s s2+s s3-（s s2+s s3）-（s s1+s s2+s s3）-s s2+s s3（1 1） 内压操作的塔设备内压操作的塔设备 最大组合轴向拉应力，出现在正常最大组合轴向拉应力，出现在正常操作时的迎风侧，即：操作时的迎风侧，即： 最大组合轴向压应力，出现在停修时最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即：的背风侧，即：（2 2） 外压操作的塔设备外压操作的塔设备 最大组合轴向压应力，出现在正常最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即：操作时的背风侧，
14、即： 最大组合轴向拉应力，出现在停修时最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：的迎风侧，即：2. 2. 强度与稳定性校核强度与稳定性校核 根据根据正常操作正常操作或或停车检修停车检修时的各种危险情时的各种危险情况，求出最大组合轴向应力，必须满足强况，求出最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件。度条件与稳定性条件。环向拉应力只进行强度校核，因为不存在环向拉应力只进行强度校核，因为不存在稳定性问题。稳定性问题。轴向压应力既要满足强度要求，又必须满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。足稳定性要求，进行双重校核。名名称称强度校核强度校核稳定性校核稳定性校核环向
15、最大拉应力环向最大拉应力s smaxKs stf f 轴向最大压应力轴向最大压应力s smaxKs stK0.06Et ei/RiK为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K=1.2。轴向最大应力的校核条件轴向最大应力的校核条件3. 3. 水压试验时应力校核水压试验时应力校核(1) (1) 关于拉应力关于拉应力 环向拉应力的验算同压力容器设计；环向拉应力的验算同压力容器设计； 最大组合轴向拉应力；最大组合轴向拉应力；(2) (2) 设备充水（未加压）后最大质量和最大设备充水（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：弯矩在壳体中引起的组合轴向压应力：K K为载荷组合系数，取为载荷组
16、合系数，取K K=1.2=1.2。塔体：最大风弯矩引起的弯曲应力塔体：最大风弯矩引起的弯曲应力s s3 3i i- -i i发生在截面发生在截面2-22-2上。上。裙座：裙座：s s3 3i i- -i i的最大应力发生在裙座的最大应力发生在裙座底截面底截面0-00-0或人孔截面或人孔截面1-11-1上。上。二、二、 裙座裙座按所支承设备按所支承设备的高度与直径的高度与直径比，裙座分为：比，裙座分为：圆筒形；圆筒形；圆锥形。圆锥形。1.1.圆筒形裙座制造方便和节省材料，圆筒形裙座制造方便和节省材料，被广泛采用。被广泛采用。2.2.圆锥形裙座：地角螺栓较多和基础圆锥形裙座：地角螺栓较多和基础环承
17、受面积较大，承受较大风载荷环承受面积较大，承受较大风载荷和地震载荷。和地震载荷。 1.群座体群座体（Q235-A或或16Mn）、）、2.基础环板、基础环板、3.螺栓座、螺栓座、4.基础螺栓。基础螺栓。( (一一) )圆筒形群座体壁厚的验算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先参照筒体厚度试取一群座体壁厚s s；验算危险截面的应力，群座体底截面和验算危险截面的应力，群座体底截面和人孔截面。人孔截面。组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整。组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整。( (二二) )基础环板设计基础环板设计1 1、基础环板内、外径、基础环板内、外径2 2、基础环板厚度、基础环板
18、厚度背风侧外缘压应力大，组合轴向压应力：背风侧外缘压应力大，组合轴向压应力：（1 1）基础环板上无筋板）基础环板上无筋板基础环板厚度不基础环板厚度不小于小于16mm基础环板厚度不基础环板厚度不小于小于16mm（2 2）基础环板上有筋板）基础环板上有筋板Ms计算力矩，按下表计算计算力矩，按下表计算Mx和和My，取绝对值较大者。，取绝对值较大者。（三）地脚螺栓（三）地脚螺栓迎风侧可能出现零值甚至是拉应力；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：基础面上由螺栓承受的最大拉应力为：B B0 0，塔自身稳定，固定位置加螺栓；，塔自身稳定，固定位置加螺栓；B B0 0，必须设地脚
19、螺栓，螺纹小径为：，必须设地脚螺栓，螺纹小径为：地脚螺栓个数取地脚螺栓个数取4的倍数，小直径塔取的倍数，小直径塔取6个，个，圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于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（四）群座与塔底封头焊接结构1.对接焊缝受压应力，轴向载荷较高，一般用对接焊缝受压应力，轴向载荷较高，一般用于大型塔；于大型塔；2.搭接焊缝受剪应力，一般用于小型塔。搭接焊缝受剪应力，一般用于小型塔。1 1、群座体与塔体对接焊缝、群座体与塔体对接焊缝J-JJ-J截面的拉应力校核：截面的拉应力校核：2 2、群座体与塔体搭接焊缝、群座体与塔体搭接焊缝J-JJ-J截面的剪应力校核：截面的剪应力校核：
