塔设备强度计算 裙座基础环和螺栓计算
1-塔设备的附件(一)--裙座
mAm sbaxmin0.9s,KB
裙座壳检查孔或较大管线引出截面为危险截面，应满足下列条件：
O 操作时 O 水压实验时
M Z m s 1 1 m a x m 0 1 1g A s m F V 1 1m K in ,K Bts
0 .3 M Z w 1 s 1 m M e m 1 m 1g A as x m F V 1 1m K i,0 n .B 9s
基础环上无筋板时基础环作为悬臂梁，在均匀载荷Dmax的作用下其最大弯曲应力
O 为：
b 2 bmax
1 max
Mm1 ax zb1
2
1•b2
b
6b
bmax []b
基础环上有筋板时，求出基础环厚
O 度：
b
6M s
[ ]b
3螺栓座的设计
O 为了使塔设备在刮风或地震时不致翻倒，必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓，把设备固定 在基础上。地脚螺栓承受的最大拉应力为
1.座体设计
首先参照塔体厚度试取一座体有效厚度L0,然后验算危险截面的应力，危险截面的位置一般取裙座基底 截面、裙座壳检查孔或较大管线引出孔截面。
M 裙座基底截面危险截面，应满足下列0条件0 ：
操作时
+
max
+水压试验时
+
Z sb
m0gFV 00 Asb
miK n,B Kts
0.3Mw00 Me Zsb
F1l3'
d3)c2
Z
F1l3'
(l2' d3)
c2(l4' d2)
2 z
三．总结，
O 裙座在化工设备中应用非常广泛，它是很好的固定装置，将设备与地面连接起来，虽然裙座不是 受压元件，但是由于裙座对整个塔器至关重要，标准要求与受压元件相同，因为裙座受压不多， 提高裙座的用材要求造成太大的浪费，这种处理大大提高了裙座支承塔体的可靠性。
裙座
二、裙座的强度计算
裙座是最常见的塔设备支承结构，如右图所示。
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。
裙座由裙座体、基础环板、螺栓座及基础螺栓Array等结构组成。
裙座的上端与塔体的底封头焊接，下
端与基础环、筋板焊接，距地面一定高度处开有人
孔、出料孔等通道，基础环上筋板之间还组成螺栓
座结构。
裙座体常用Q235-A或16Mn材料。
裙座体
直径超过800mm时，一般开设人孔。
裙座体上方开
直径为50mm的排气孔，在底部开设排液孔，以便
随时排除液体。
座体和塔体的联接焊缝应和塔体本身的环焊封
保持一定距离。
如果封头是由数块钢板拼焊而成，
则应在裙座上相应部位开有缺口,以免联接焊缝和
封头焊缝相互交叉，见下图。
基础环板通常是一块环形板,基础环板上的螺栓孔开成圆缺口而不是圆形孔，如下图螺栓座
由筋板和压板构成。
地脚螺栓穿过基础环板与压板，便把裙座固定在地基上。
塔器裙座兼作储液槽时地脚螺栓和圆底板的强度计算
塔器裙座兼作储液槽时地脚螺栓和圆底板的强度计算刘武昌;关永祥;刘鑫杰;高建明【摘要】对裙座兼作储液槽的化工塔器，提出了地脚螺栓和圆底板的强度计算方法---根据“维赫曼法”的概念，假设一个“虚拟基础环”。
在抵抗外力矩时，该“虚拟基础环”所应提供的拉应力，由地脚螺栓的拉力来提供，由此计算出地脚螺栓的直径。
对于圆底板，则按圆形截面计算出其抵抗外力矩所需提供的压应力，以此计算出圆底板的厚度。
%Proposeastrengthcalculation methodforanchorboltsandroundbaseplate when chemicaltowerskirt doublesasaliquid storagetant.The methodis asfollows:according to Weiherrmannmethodconcept,assumea virtualbasering",whenresistingexte rnaltorque,thetensilestressshouldbeofferedby virtualbasering"isofferedbyanchorboltsinf act,therebycalculatethediameteroftheanchorbolt.Tocalculatestrengthoftheroundbasep late,calculateit s compressivestressstrengthresistingtoexternaltorqueaccordingtosizeofthecir cularcross-section, therebycalculatethethicknessofroundbaseplate.【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】5页(P90-94)【关键词】维赫曼法;虚拟基础环;地脚螺栓;圆底板;扇形圆环;合力矩;弯矩;抗弯截面模量【作者】刘武昌;关永祥;刘鑫杰;高建明【作者单位】天津市创举科技有限公司，天津300130;天津市创举科技有限公司，天津300130;天津市创举科技有限公司，天津300130;天津市创举科技有限公司，天津 300130【正文语种】中文【中图分类】TQ053在化工塔器中，常有利用裙座兼作储液槽的情况。
塔设备图结构设计与强度计算
●双流塔板组件结构
D、分块塔板结构与尺寸
分块塔板结构——有自身梁式a和槽式b，增强抗弯变形能力。
大多采用自身梁结构； 碳钢塔板厚度一般3-4mm，不锈钢为2-3mm（根据液位及 载荷可计算出)
E、塔板间连接固定结构
●通道板与塔板及塔板间的固定连接 上、下均可拆结构
自身梁松开结构与拧紧固定结构
●塔板与支撑圈间连接
塔板分为——整块塔板和分块塔板
A、整块塔板结构
B、分块塔板
分为单流与双流塔盘，塔径800mm以上人可进入塔内，采用 分块塔板
C、分块塔ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ结构与连接 ●单流塔板组件结构
1-通道板，2-矩形板，3-弓形板 4-支撑圈，5-筋板，6-受液盘 7-支撑板，8-固定降液板 9-可调堰板，10-可拆降液板 11-连接板
正压塔校核条件
不同工况下各种应力组合——式中的弯矩Mmax为裙座与筒体焊 接处的弯矩（2-2截面）
●裙座各截面强度校核公式
裙座人孔中心线处（1-1截面）
裙座人孔中心线处截面抗弯模量
裙座与塔体的焊缝强度校核（2-2截面）
基础环板弯曲强度和混凝土压缩强度
基础螺栓设计
螺栓埋入深度
7-蒸汽入口，8-塔盘，9-回流口，10-吊柱， 11-塔顶气体出口
2、裙座结构 裙座：有圆筒形和圆锥形 圆筒形——广泛使用，方 便制造 圆锥形——适用H/D特别大 的塔，为了多布置基础螺 栓提高抗风与地震载荷。 当筒体采用低合金钢， 如Q345R，裙座采用低碳钢时，裙座与塔体之间设置一个250350mm短节，避免异种材料焊接。 1-塔体，2,3-无保温层和有保温层时的排气孔，4-裙座，5-引出 管通道，7-排液孔，8-螺栓座 裙座总高——一般确定为5m，裙座人孔中心线距地面一般为1m
塔设备强度设计计算
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 强度计算
室外H/D较
大的塔， 操作压力、 质量载荷、 风载荷、 地震载荷 偏心载荷等
㈠ 按设计压力计算筒体及封头壁 厚
按第十五章"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。
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，
K2i
1
vif zi
fi
z-脉动增大系数，按表4-28查取；
Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表
4-30；
（2）风弯矩
一般习惯自地面起每 隔10m一段，风压定
n
h1.5 K
mi
h1.5 i
hK1-基本振型参与系数， hK1
i 1
n
mi hi3
i 1
a1-对应与塔基本自振周期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：F00 a maxmeqg
avmax-垂直地震影响系数最大值， avmax= 0.65amax
风速随地面高度而变化。塔高于10m，应 分段计算风载荷，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：
Pi K1K 2i q0 f i Li Dei 10 6
Pi-水平风力； q0-基本风压值，见表4-26，但 均不应小于250N/ｍ2； fi-风压高度变化系数，表4-27 Li-第计算段长度； Dei-塔各计算段有效直径； K1-体型系数，圆柱直立设备0.7 K2i-各计算段风振系数，
《塔强度设计》
震级
地震规模的大小，由地震能量决定，能量越大、震级就越大。
地震烈度
发生地震时，地区的危害程度、震级越大、该地区距地震中 心的距离（震中距）越小、地质条件越有利于地震波的传播， 地震烈度就越大。
基本烈度 设计烈度
某地区在今后一定时期内，可能遭遇到的最大地震烈度。基 本烈度分为12个等级，12度最高，然后依次降低。当基本 烈度在7度及以上时，就应考虑水平地震分量对塔设备的影 响，当达到8度及以上时，应同时考虑水平和垂直地震分量 对塔设备的影响。
选取塔板间距和塔高
计算塔径
塔盘布置与验算
结构设计
机械设计
六项内容中的前四项属于工艺设计
机械设计内容
1、按设计条件初定塔体壁厚； 2、计算塔在危险截面的总载荷； 3、同时考虑总载荷与操作压力校核塔体壁厚及塔的稳定性； 4、设计裙座、确定地脚螺栓的规格及数量。
本节主要讲载荷分析、塔体和裙座的强度及稳定性校核、塔设备的振动
a. 风压qi
若塔高H≤10m，以塔顶风压作为整个塔的风压； 若H>10m，应从塔底每10m分为一段，按下式分段计算风压；
qi = fi qo 式中：qo ——基本风压，Pa；
fi ——风压随高度变化的系数。
①基本风压qo
qo
1 2
vo2
(qo可直接查表)
式中：ρ——空气密度，kg/m3，随当地的高度和湿度而异，中
国设计规范规定：各地均取一个大气压、10℃
时的干空气密度，即ρ =1.25kg/m3；
vo ——基本风速，m/s，随当地季节和离地面的高度而 异，中国设计规范规定：取当大风速 的平均值。
② 风压随高度变化的系数fi（fi可直接查表）
地表通常是凸凹不平的，当风刮过时，不平的地表对风速、 风压产生阻碍作用，使其产生梯度。研究表明：在一定高度内， 高度越大，风速、风压就越小，风速、风压随高度变化呈指数 关系。
塔体及裙座的强度计算
3.1 塔体及裙座的强度计算3.1.1 适用范围本章计算适用于高度大于10m，且高度与直径之比大于5的裙座自支承式钢制塔设备。
塔设备的设计压力可以是内压或外压。
3.1.2 引用标准JB 4710-92“钢制塔式容器”、GB150-98“钢制压力容器”。
3.1.3 设计计算条件3.1.3.1 塔设备的设计压力及设计温度设计压力系指在相应设计温度下用以确定塔设计壳体厚度的压力，其值不得小于塔设备顶部可能出现的最高压力。
设计温度指塔壳体的设计温度，系指塔设备在正常操作情况，并在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度。
裙座设计温度一般取建塔地区室外计算温度(冬季)，见表3-1。
3.1.3.2 塔设备设计应考虑的载荷⑴设计压力；⑵液柱静压；⑶塔设备自重(包括内件和填料)以及正常操作条件下或试验状态下内容物的重力载荷；⑷附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯及平台等重力载荷；⑸风载荷和地震载荷；必要时，应考虑以下载荷的影响：⑹连接管道和其它部件的影响；⑺由于热膨胀量不同而引起的作用力；⑻压力和温度变化的影响；⑼塔设备在运输或吊装时承受的作用力。
上述载荷中⑴～⑹部分载荷在本章计算中予以考虑。
⑺～⑼部分的载荷引起的机械计算应采用其它相应的计算方法。
3.1.3.3 塔设备壁厚⑴最小壁厚塔壳圆筒不包括腐蚀裕度的最小厚度，对于碳钢和低合金钢制塔设备为2‟的塔内径，且不小于4mm；不锈钢制塔设备为3mm；裙座最小壁厚为6mm。
⑵计算厚度指按GB150及JB4710相应公式计算所得的厚度，不包括壁厚附加量。
⑶壁厚附加量、设计厚度、名义厚度及有效厚度详见JB4710第3章中的定义。
3.1.3.4 材料及其许用应力⑴受压元件用钢的选用原则、钢材标准、热处理状态及许用应力等均按GB150中的相关规定。
表3-1 中国部分地区室外计算温度注：⒈本表摘自TJ19-75《工业企业采暖通风和空气调节设计规范》（试行），表中带＊数字系《暖通空调气象资料集》(增编Ⅰ稿)中的数据。
塔的强度设计
第六节塔的强度设计特点—安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝土基础上。
三种工况：正常操作、停工检修、压力试验。
轴向强度及稳定性校核的基本步骤：①按设计条件，初步确定塔的壁厚和其它尺寸。
②计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏心载荷等。
③危险截面的轴向强度和稳定性校核。
④设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等。
塔的强度设计的解题思路一、塔的载荷分析、，前面已讲㈠介质压力：包括p p工水㈡质量载荷⒈包括：m01——塔体、裙座质量；m02——塔内件如塔盘或填料的质量；m 03——保温材料的质量； m 04——操作平台及扶梯的质量； m 05——操作时物料的质量；m a ——塔附件如人孔、接管、法兰等质量； m w ——水压试验时充水的质量； m e ——偏心载荷。
⒉区分不同工况分别计算 塔设备在正常操作时的质量：00102030405a e m m m m m m m m =++++++ (7-13)塔设备在水压试验时的最大质量：max 01020304w a e m m m m m m m m =++++++ (7-14)塔设备在停工检修时的最小质量：min 010203040.2a e m m m m m m m =+++++ (7-15)㈢偏心载荷定义：塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备或其它附件所引起的载荷。
载荷产生的弯矩为：e e M m ge = (7-16) 式中：g ——重力加速度，m/s 2；——偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线间的距离，m ；e M ——偏心弯矩，N·m 。
㈣风载荷 1.影响：（1）使塔体产生应力和变形；使塔体产生顺风向的振动(纵向振动)使塔体产生垂直于风向的诱导振动(横向振动)；（2）过大的塔体应力会导致塔体的强度及稳定失效；（3）太大的塔体挠度会造成塔盘上流体分布不均，分离效率下降。
2.风载荷的构成：一种随机载荷，大小和方向随时、随地变化；对于顺风向风力，认为由两部分组成： (1)平均风力（稳定风力），对结构的作用相当于静力的作用；是风载荷的静力部分，其值等于风压和塔设备迎风面积的乘积。
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㈡基础环板设计
1. 基础环板内、外径的确定
裙座通过基础环将塔体承受的外力传递到混凝土基础上，基础环的主要尺寸为内、外直径（见下图），其大小一般可参考下式选用
（4-68）
式中：
D ob-基础环的外径，mm；
D ib-基础环的内径，mm；
D is-裙座底截面的外径，
mm。
2. 基础环板厚度计算
在操作或试压时，基础环板由于设备自重及各种弯矩的作用，在背风侧外缘的压应力最大，其组合轴向压应力为：
（4-69）
式中：
A b-基础环面积，mm2；
W b-基础环的截面系数，mm3；
（1）基础环板上无筋板
基础环板上无筋板时，可将基础环板简化为一悬臂梁，在均布载荷σbmax的作用下，基础环厚度：
（4-70）
式中：
δb-基础环厚度，mm；
[σ]b-基础环材料的许用应力，MPa。
对低碳钢取[σ]b=140MPa。
（2）基础环板上有筋板
基础环板上有筋板时，筋板可增加裙座底部刚性，从而减薄基础环厚度。
此时，可将基础环板简化为一受均布载荷σbmax作用的矩形板（b×l）。
基础环厚度：
（4-71）
式中：
δb-基础环厚度，mm；
M s-计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩M x、M y中绝对值较大者，M x、M y按计算，N·mm/mm。
无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16mm。
㈢地脚螺栓
地脚螺栓的作用是使设备能够牢固地固定在基础底座上，以免其受外力作用时发生倾倒。
在风载荷、自重、地震载荷等作用下，塔设备的迎风侧可能出现零值甚至拉力作用，因而必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓。
塔设备在基础面上由螺栓承受的最大拉应力为：
（4-72）
式中：
σB-地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa。
当σB≤0时，塔设备可自身稳定，但为固定塔设备位置，应设置一定数量的地脚螺栓。
当σB>0时，塔设备必须设置地脚螺栓。
地脚螺栓的螺纹小径可按式（4-73）计算：
（4-73）
式中：
d1-地脚螺栓螺纹小径，mm；
C2-地脚螺栓腐蚀裕量，取3mm；
n-地脚螺栓个数，一般取4的倍数；对小直径塔设备可取n=6；
[σ]bt-地脚螺栓材料的许用应力，选取Q-235-A时，取[σ]bt=147MPa；选取16Mn时，取[σ]bt=170MPa。
圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24。
㈣裙座体与塔体底封头的焊接结构
裙座体与塔体的焊接形式有下表所示的两种：
名称结构要求特点适用对象
对接焊
缝裙座与塔体直径相等，二者对
齐焊在一起
焊缝承受压应力作用，可承受较高
的轴向载荷
大型塔设备
搭接焊
缝
裙座内径稍大于塔体外径焊缝承受剪应力作用，受力条件差小型塔设备1．裙座体与塔体对接焊缝（如）J-J截面的拉应力校核
（4-74）式中D it-裙座顶截面的内直径，mm。
２．裙座体与塔体搭接焊缝（如）J-J截面的剪应力校核
（4-75）
（4-76）
式中：
A W-焊缝抗剪断面面积，mm2；
D ot-裙座壳顶部截面的外直径，mm；
M max J-J-搭接焊缝处的最大弯矩，N·mm；
m max J-J-压力试验时塔设备的最大质量（不计裙座质量），Kg；
m0J-J-J-J截面以上塔设备的操作质量，Kg；
W W-焊缝抗剪截面系数，mm3；
[ ]W t-设计温度下焊接接头的许用应力，取两侧母材许用应力的小值，MPa。