压力容器设计人员培训班讲稿塔设备.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2009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,标准分享网 免费资料下载网站,江苏省化工机械研究所有限责任公司,韩 建 新,0.塔式容器简介,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。,0.2 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，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.塔式容器简介,0.4,塔式容器设计的有关标准规范：,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,一、总则：,1.,适用范围,适用于设计应力不大于35Mpa,H,/,D,5,，且高度,H,10m,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：,塔式容器必须是自支承的。,适用范围是考虑下述因素制定的：,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。,一、总则：,1.,适用范围,塔式容器属于高耸结构，其承受的载荷除压力、温度载荷外，还有风载荷、地震载荷、重量载荷、偏心载荷等。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。,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；10350，应设置过渡段；,（HG20652规定,T250时）,b.塔釜封头材料为低温用钢、不锈钢、铬钼钢时，应设置过渡段；,c.裙座过渡段长度不小于300mm;设计温度低于-20或高于350,时，过渡段长度（壁温层厚度的46倍）不小于500mm；,d.裙座高度低于2.5m,可不设过渡段，但裙座材质应与底封头材质,相同或接近。,一、总则：,6.,许用应力,A.,塔式容器壳体（含裙座壳体）,按,GB150,材料一章选取。,B.,非受压元件、基础环、盖板和筋板、地脚螺栓,a,）地脚螺栓 Q235A ,bt,=147,Mpa,16MnR ,bt,=170,Mpa,采用其它材料时:碳素钢,ns 1.6,低合金钢,ns 2.0,b）,基础环、盖板和筋板,碳素钢 =147,Mpa,低合金钢,=170,Mpa,一、总则：,7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：是在应力组合后，其许用应力（强度或稳定）乘以,一个等于,1.2,的载荷组合系数,K,。,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,用应力值在原来受压构件许用应力基础上乘一个系数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.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。,二、结构：,2.筒体与裙座的连接型式,分为对接和搭接两种，,1.对接,要求：裙座壳体外径与塔,体封头外径相等。,焊接接头型式：,标准中没有明确要求。,SH3098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。,二、结构：,2.筒体与裙座的连接型式,2.搭接：,分为搭接在封头与,搭接在筒体上两种。,二、结构：,3.,当塔壳封头由多块板拼接制成时，拼接焊缝处的裙座壳应开,缺口,，如下图所示。（尺寸见表73）,二、结构：,4.,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。,如图所示。,当塔内操作温度较高或温,度变化比较激烈时，裙座与塔,壳的连接焊缝处产生较大的温,差应力，造成破坏。,隔气圈起空气隔离作用，,缓解了焊缝处温差应力过高，,或温差变化过大的情况。,隔气圈结构见标准图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。,为确保设备的安全运行，,有条件时最好进行温度场和疲,劳分析。,二、结构：,5.裙座排气孔：,塔式容器操作过程中，可能有气体逸出积聚在裙座与塔底,封头之间的死区中，它,们有些是易燃，另外的,气体，有些是具有腐蚀,作用的气体，会危及塔,器正常操作或检修人员,的安全，故设置排气孔，,如图所示。,排气孔在裙座有保温或防,火层时，应改为排气管。,二、结构：,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的情况。,二、结构：,2）结构2：,为中央地脚螺栓座结构，优点是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。,三、计算：,1.计算内容：,计算内容：,自振周期；|,地震载荷：水平地震力和垂直地震力；|（计算截面弯矩）,风载荷：顺风向风振和横风向风振；|,塔的挠度计算等四部分。,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。,三、计算：,1.计算内容：,计算时所需准备计算条件：,（1）工艺必要的给定条件,（2）塔设备设置地区的条件设置地区的基本风压值，地震设防烈,度，设计基本地震加速度，场地土类别等。,地震设防烈度，设计基本地震加速度可按GB50011-2001,建筑抗震设计规范（替代GBJ11-1989）,设计地震分组近震、远震,基本风压值可按GB50009-2001建筑结构载荷规范,GBJ17-1988钢结构设计规范中基本风压值取所在地,10m高度30年一遇10min最大平均风速为基本风速；,GB50009改为50年一遇。,基本风压值计算公式：,（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）偏心悬挂的附属设备的重量确定（最小、操作及最大重量）。,三、计算：,1.计算内容：,计算时所需准备计算条件：,（5）确定危险截面位置。一般来说，危险截面为下述截面。,a.塔器裙座底截面。,b.裙座上开设人孔、手孔、引出管孔的中心位置截面。,c.塔器筒体与裙座对接焊缝（或搭接焊缝）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、地震载荷计算中一般把塔体最多分为9段，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。,三、计算：,2.自振周期,A.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自由振动时的振动周期称为自振周期。,三、计算：,B,.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，例如：,y,=,y,o,(,h,i/,H,)3/2,c)一般仅限于基本振型，原因：二、三振型函数难以确定。,C,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：,T,2,=1/6,T,1,T,3,=1/18,T,1,三、计算：,D.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为质量均匀的悬壁梁作无阻尼自由振动。,单自由度体系，,自振周期,T,=2,m,质点的质量；,y,顶端作用单力时的挠度，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,三、计算：,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。其中,直径和厚度不变的每段塔式容器质量，,可处理为在该段高度1/2处的集中质量。,其基本自振周期式：,其中截面惯性矩：,圆筒段,圆锥段,三、计算：,2.地震力计算（水平地震力和垂直地震力）：,A.,名词术语：,震源：地壳内发生断层破坏的一点，实际上断层面积很大，很难,确定其中的一点，一般采用其几何中心代替。,震中：震源在地表面的投影。,震中距：地表面上任一点距震中的直线距离。,震线：表示地震大小的尺度，用震源释放能量大小度量。,烈度：某一地区地面各类结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，,基本烈度为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。,三、计算：,设计基本地震加速度：50年设计基准期超越概率为10%的地震,加速度取值；,七度区 八度区 九度区,0.1g (0.15g)0.2g(0.3g)0.4g,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，应控制其变形，避免倒塌,。,三、计算：,B.水平地震力计算：,计算理论：静力理论、动力理论、反应谱理论和历程响应分析。,计算方法：对多自由度和无限自由度体系，采用振型遇合法,a)公式,F,1k,=,1,1k,m,k,g -(8-6),1,为地震影响系数，其值为,=E,K,，,式中的,K,为地震系数，,为动力放大系数；,设计时可利用反应谱曲线查取；,1k,为振型参与系数；（按式（810）,m,k,为各质点质量；,g,为重力加速度。,b)地震影响系数,根据塔式容器所在地的设计地震分组、场地土类别，从表,8-2 确定特征周期值，再根据标准设计反应谱即图8-4 确定。,三、计算：,三、计算：,i)制定该反应谱时，取阻尼比,l,=0.05；,max,=2.25。,ii)曲线由四部分组成：,上升段、平台段、下降区段1（或称曲线下降段）和下降区段,（又称直线下降段）。,iii)曲线有三个拐点，对应的自振周期为0.01，Tg，5Tg，,Tg一土壤的特征周期。与场地上类另和地震分组有关。,场地土壤分四类：、,地震分组分三组：第一组、第二组和第三组。,）曲线的平台段为加速度控制段；下降区段落为速度控制段；,下降区段,为位移控制段。,T很小时，结构刚度大，加速度控制；T很大结构很重，位移控制。,塔式容器实际阻尼不一定等于,0.05,，对曲线要修正。,三、计算：,衰减系数：,r,=0.9+（87）,斜率调整系数：,1,=0.02+(0.05,)/8（88）,阻尼调整系数：,2,=1+（89）,式中：,塔式容器阻尼比。（无实测数据时，取0.010.03),曲线不同段修正效果不同，平台段最大，,T,=6 秒时各种阻尼比结果接近。,三、计算：,C.垂直地震力：,计算方法有：等效重力法，反应谱法和时程响应分析。,a)计算方法,底截面处总的垂直地震力为 F,v,0-0,=,vmax,m,eg,g,然后将总垂直地震力分配到每个质点处，分配原则是倒三角形，,即：F,vi,=(,I,=1，2，,n,),需要说明的是：1）垂直地震只有在八度区和九度区才需验算。,2）对任何计算截面只有当最大弯矩是地震弯矩时，,才考虑统计算截面的垂直地震力。,在塔式容器,H,/,D,15，或高度大于等于20m时，还应考虑高振型的,影响。,三、计算：,3.风载荷计算（顺风向风振和横风向风振）：,A.顺风向风振,a）名词术语,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风速,0,，再考虑空气密度,，按公式,q,0,=1/2,v,2,计算得出，标准规定，q,0,不得,小于,0.3KN/m,2,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分为A、B、C、D,四级。（见表83 中注1）,三、计算：,平均风：在风的顺风向时程曲线中超过10分钟以长周期部份。,脉动风；在风的顺风向时程曲线中通常只有几秒钟的短周期,成分。,重现期：是指连续两次超过某一数值的时间间隔。,高度变化系数：任意高度处风压与,10,米高度处的风压之比，它是,与高度和地面粗糙度，有关的系数，荷载规范规定,为指数规律：,f,i,=,c,(,h,/10),地面粗糙度 A B C D,C 1.379 1.00 0.616 0.318,0.24 0.32 0.44 0.60,f,i,可查表83,三、计算：,体型系数：是指风作用在物体表面上所引起的实际压力,（或吸力）与风速度压（即,q,=1/29,v,2,）的比值。此值,一般采用风洞试验或实测确定。,对圆截面,K,1,=0.7，平面,K,1,=1.4。,b）计算公式,平均风压对塔式容器静力作用,P,1,=,K,1,f,i,q,o,A,i,脉动风压对塔式容器动力作用,P,2,=,K,1,v,i,zi,A,i,/,f,i,P,=,P,1,P,2,=,K,1,f,i,q,o,A,i,(1+v,i,zi,/,f,i,),令,K,2,=1+v,i,zi,/,f,i,风振系数,标准规定 当H,20m时，取K,2,=1.7,所以,P,=,K,1,K,2,f,i,q,o,A,i,A,i,受风面积 D,i,l,i,三、计算：,C)水平风力的计算：,塔体某一计算截面的水平风力,计算段有效直径 D,ei,:,当笼式扶梯与塔顶管线成180,o,时：,当笼式扶梯与塔顶管线成90,o,时：,取两式计算的较大值,三、计算：,B.横风向风振（附录A）,条件：当,H,/,D,15，且,H,30m 时，还应按规范附录进行横风向,风振计算。,a),产生的原因,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。,三、计算：,b）是否发生共振的判别。,当塔式容器的自振频率与漩涡的脱落频率相等时，将产生共振。,判别：对塔共振时的风速（临界风速）与塔顶风速（设计风速）,进行比较：,v,v,c1,不需考虑塔器共振,v,c1,v,v,c2,必须考虑第一振型振动,v,v,c2,考虑一、二附振动，取最大值。,c）顺风向与横风向的弯矩组合 （A.6）,取下列两式的较大者,）设计风在横风向引起的风振，由于没有达到共振状态，以顺风向的响应值为主,）在临界风速作用下，塔式容器处于共振状态，以临界风速,ci,换算 q,ci,代替 q,0,计算顺风向风弯矩,M,cw,-,三、计算：,4、最大弯矩计算：,塔式容器,载荷图：,三、计算：,4、最大弯矩计算：,A.地震弯矩计算,塔式容器任意计算截面的基本振型地震弯矩,对等直径、等厚度塔式容器,任意截面：,底截面0-0:,对高振型的影响，要计算组合地震弯矩,三、计算：,4、最大弯矩计算：,B.风弯矩计算,塔式容器任意计算截面的风弯矩,塔式容器,底截面0-0,处的风弯矩,C.偏心载荷引起的弯矩计算,M,e,=m,e,ge,三、计算：,4、最大弯矩计算：,D.最大弯矩计算,塔式容器任意计算截面的最大弯矩,取其中较大值,塔式容器,底截面0-0,处的风弯矩,取其中较大值,有横向风影响时，任意计算截面的最大弯矩,取其中较大值,三、计算:,5、应力校核：,A.筒体轴向应力校核,由内压或外压引起的轴向应力,由操作或非操作时重力及垂直,地震力引起的轴向应力,由弯矩引起的轴向应力,筒体许用轴向压应力,取其中较小值,注：1.,F,v,1-1,仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。,2.圆锥形筒体应力与圆筒相似，考虑,cos,。,3.系数 B按5.2.4计算。,三、计算:,圆筒最大组合压应力（稳定性校核）,对内压容器：,2,3,cr,对内压容器：,1,2,3,cr,圆筒最大组合拉应力,对内压容器：,1,2,3,K,t,对内压容器：,2,3,K,t,三、计算:,B.试验应力时筒体应力校核,试验应力引起的轴向应力,重力引起的轴向应力,弯矩引起的轴向应力,筒体许用轴向压应力 取其中较小值,轴向拉应力,水压试验时 ,1,2,3,0.9 R,cL,(R,p0.2,),气压试验时 ,1,2,3,0.8 R,cL,(R,p0.2,),轴向压应力,2,3,cr,三、计算:,C.裙座壳轴向应力校核,1.裙座的应力,1）由于裙座筒体不承受内压力,的作用，轴向拉应力总是小于,轴向压应力。因此只需校核危,险截面的轴向压应力。,2）分别按操作工况和液压试验,工况（最大质量）进行校核计,算。,2.校核截面,1）裙座壳底截面的组合应力,校核；,2）裙座壳检查孔或较大管线,引出孔截面的应力校核；,计算公式见标准（84750）,三、计算:,D.地脚螺栓座计算：,1.基础环厚度计算：,1）基础环板承受的载荷,塔式容器的重量及由地震载荷、,风载荷、偏心载荷引起的弯矩通过裙,座筒体作用在基础环上，而基础环安,放在混凝土基础上。在基础环与混凝,土基础的接触面上，形成最大压应力,bmax,，如右图。基础环板应有足够,的厚度以承受这些应力。,2）无筋板基础环,按操作工况和液压试验工况计算,最大压应力，取其较大值，按式,（853）计算基础板所需厚度。,三、计算:,D.地脚螺栓座计算：,1.基础环厚度计算；,3）有筋板基础环,由于筋板的作用，基础板被加强，此时可视基础板为一矩形板，,分别取两筋板的间距及基础板的外伸长度为矩形板的边长，按表87,取计算系数，按式（856）、（857）计算弯矩，取其较大值为矩,形板的计算力矩，代入,式（854）中计算基,础板厚度。,2.筋板的压应力计算；,按受压杆系计算其,压应力。,计算式（86062）,三、计算:,3.环板计算；,分别按分块、,环形、有垫板、,无垫板。,计算公式见标准,（86066）,E.塔式容器法兰的当量设计压力,塔式容器各段采用法兰连接时，法兰要同时考虑内压、轴向力、,外力矩的作用，其当量设计压力为：,三、计算:,E.地脚螺栓计算：,1.地脚螺栓的作用；,（1）正确固定塔的位置；（2）防止塔在倾覆力矩作用下倾倒。,2.计算方法；,维赫曼法；泰勒法；极限载荷法。,3.地脚螺栓最大拉应力计算；,式（858）；,重力载荷为最小载荷。,B,0,自身稳定，,地脚螺栓器起,固定作用；,B,0,需要计算螺,栓面积（螺纹,小径）。,三、计算:,F.裙座与塔壳的连接焊缝计算：,1.裙座与塔壳搭接焊缝；,剪应力校核计算,2.裙座与塔壳对接焊缝；,对接焊缝截面的拉应力校核,三、计算：,6、塔顶挠度计算：,A.塔顶挠度的计算,对等直径且等壁厚的塔式容器,对等直径不等壁厚的塔式容器,对不等直径不等壁厚的塔式容器,Y=Y,1,+Y,2,+Y,3,Y,1,Y,2,Y,3,的计算见标准附录C,三、计算：,三、计算,B.挠度的控制值：,标准中没有明确规定，只注明按工程设计要求确定。,挠度值如何控制是个棘手的问题。控制值过小，则造成塔壳壁厚无意义的增加。目前，挠度的控制值各国家规范尚无规定，但各工程公司有一个控制值。,美国埃索公司 H/160,伯克托公司 H/170,凯洛格公司 H/200,西德伍德公司对填料塔 H/100 板式塔 H/200,我国根据多年工程实践经验推荐在H/150H/200之间。,假定沿塔高风压值相等，则塔的挠度,Y=qL,4,/（8EI）qL,4,/（8ER,3,t）,SH3098-2000,石油化工塔器设计规范,DN1000mm时，Y,D,H/100;,1000mm2000mm时，Y,D,H/200。,四、制造、检验与验收:,A.外形尺寸公差。(见表91）,B.需进行整体热处理的塔式容器，热处理前应将连接件（如梯子、,平台连接件，保温圈、防炎固定件，吊耳）等焊在塔壳上。,C.需作磁粉或渗透检测：,a)塔壳材料标准抗拉强度,540MPa时，裙座与塔壳的焊接接头；,b)吊耳与塔壳之间焊接接头。,注：塔式容器在制造厂液压试验一般以卧置进行，因此试验压力要考虑液体静压力，设计图纸中试验压力要注明（卧置、立置）。,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，可参照JPI规定，从偏于安全考虑，只计算支座上,部筒体面积承受的风载荷；,3）筒体在支座位置的局部应力计算；,4）采用圈座结构可降低筒体局部应力，计算方法参照HGJ20582。,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）设中间支承处挠度为,40mm，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，中部铰支的悬臂梁计算地震弯矩；,5）按上面计算的风弯矩、地震弯矩计算最大弯矩。,2008年江苏省D类压力容器设计人员培训班,谢谢各位,