精馏塔强度计算实例

第六部分 塔内件机械强度设计及校核6.1精馏塔筒体和裙座壁厚计算选用16MnR 钢板，查《化工设备机械基础》表9-4得：，MPa 170][t =δ焊接采用双面焊100%无损探伤检查，焊接接头系数00.1=ϕ，则由筒体的计算厚度为：[]0.111823000.76()2217010.1118c i p D c mm t p δσϕ⨯===-⨯⨯-查《化工设备机械基础》表9-10得mm C 8.01=，加上壁厚附加量C=2mm ，并圆整，还考虑刚度、稳定性及多种载荷等因素，取筒体、封头和裙座的名义厚度Sn 为8mm ，则有效厚度 826mm e n C δδ=-=-=（）应力校核：采用水压试验，试验压力为[][]1701.25 1.250.11180.14170T tp pMPa σσ==⨯⨯=（） 压力试验时的薄膜应力()eT δδσ2D p e i T +=故()0.142300626.9()26T MPa σ⨯+==⨯查表9-4，16MnR 的MPa s 345=σ故0.90.91345310.5()26.9MP s T MPa a ϕσσ=⨯⨯==＞ 所以满足水压试验要求。

封头采用标准椭圆封头 6.2精馏塔塔的质量载荷计算 6.2.1塔壳和裙座的质量圆筒质量塔体圆筒总高度Z 8m =()1422iD -D Z m πρ=()2232.316 2.300137.85105916.554kg π=-⨯⨯⨯=6.2.2封头质量查的DN2300，壁厚8mm 的椭圆形封头的质量为251kg ，则kg 5022251m 2=⨯=6.2.3 裙座质量 圆筒裙座尺寸：23002316is os D mm D mm ==，。

()钢πρs 2is 2os 3H D -D 4m =2232.312 2.327.85106824kg π=-⨯⨯⨯=（） 011233640.955026824825m m m m kg =++=++=6.2.4塔内构件质量塔盘单位质量为175.59kg02175.59152633.9m kg =⨯=6.2.5人孔、法兰、接管与附属物质量010.250.2548251206.3a m m kg ==⨯=6.2.6保温材料质量03m '为封头保温层质量，查《化工工艺设计手册》选用硅酸钙制品，厚度为150mm()2203000203224s m D D H m δρ⎡⎤'=+-+⎣⎦π ()()222.31620.15 2.3161330020.5870.3983004643.204π⎡⎤=⨯+⨯-⨯⨯+⨯-⨯=⎣⎦kg6.2.7平台、扶梯质量()()[]F F P 2s 02s 004H q nq 212D -B 22D 4m +⨯+++=δδπ()()2212.31620.120.9 2.31620.1221504012423376.1π⎡⎤=⨯+⨯+⨯-+⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⎣⎦=kg式中：P q ------平台单位质量，为；2m /kg 150 F H -----扶梯高度，为12m ；F q ------笼式扶梯的单位质量，为；m /0kg 4 n------平台数量。

6.2.8操作时塔内物料质量2200544m i L L P i L f LD h N D h V ππρρρ=++222.30.068855.865 2.30.0326855.865 5.130.934441826.6kgππ=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯=6.2.9充水质量024W i W f Wm D H V πρρ=+全塔操作质量a 05040302010m m m m m m m +++++=48252633.94643.23376.11826.11206.318510.6kg=+++++=塔设备最小质量min ma 04030201min m m m m 2.0m m ++++= 48250.22633.94643.13376.11206.314577.28kg=+⨯+++=塔设备最小质量max mw m m m m m m m a 04030201max +++++= 48252633.94643.13376.11206.314577.28kg=+++++=塔自振周期计算31T 10-=90.330.1547s =⨯6.3地震载荷计算由表查得：45.0a max =（设计地震烈度8级）。

由表查得：3.0T g =（2类场地土，近震）。

地震影响系数0.90.9g 1max 1T 0.30.450.82T 0.1547αα⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭结构综合影响系数 0.5C Z =。

13000H/Di 5.652300==，确定危险界面，如附图。

0-0截面为裙座基底截面，1-1截面为裙座人孔出截面，2-2截面为裙座与塔体焊缝处截面。

6.3.1计算危险截面的地震弯矩 0-0截面：gH 1m C 3516M 0Z 0-0E α=' 8160.50.8218510.69.8113000354.42510N mm=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⋅0-00-088E EM 1.25M 1.25 4.42510 5.53110N mm '==⨯⨯=⨯⋅ 1-1截面：()5.32.53.52.501Z 1-1E 4h h 14H -10H 175Hg m a 8C M +=' ()3.52.53.52.5780.50.1418510.69.8110130001413000100041000175130006.74110N mm⨯⨯⨯⨯=⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯=⨯⋅1-11-177E E M 1.25M 1.25 6.741108.42610N mm '==⨯⨯=⨯⋅2-2截面：()5.32.53.52.501Z 2-2E 4h h 14H -10H 175Hg m a 8C M +=' ()3.5 2.5 3.52.5780.50.1418510.69.8110130001413000200042000175130005.93110N mm ⨯⨯⨯⨯=⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯=⨯⋅2-22-277E EM 1.25M 1.25 5.931107.41410N mm '==⨯⨯=⨯⋅ 6.4风载荷计算 6.4.1风力计算 （1）风振系数各计算塔段的风振系数由式fiV 1K iZ i 2i Φ+=ζ计算。

计算结果列于表1.1。

表1.1 各塔段的风振系数塔段号1 2 3 4 5 计算截面距地面高度m /h it1471013（2）有效直径ei D设笼式扶梯与塔顶管线成90°角，取平台构建的投影面积∑=20.5mA ，则ei D 取下列计算值中的较大者。

43si oi ei K K 2D D +++=δps 04si oi ei 2d K 2D D δδ++++=式中，塔和管线的保温层厚度mm 100ps si ==δδ，塔顶管线外径034i2A d 862mm K 400mm K l ===∑，，。

各塔段ei D 计算结果列于表1.2。

表1.2 各塔段有效直径ei D塔段号 1 2 3 5 6 7 塔段长度i l1000100020003000 300030003K400i 4A 2=K ∑0 0 500 333 333 333 ei D407840784578441144114411由下使计算各塔段的水平风力 ）（N 10D l f q K K P 6ei i i 02i 1i -⨯= 各段有关参数及计算结果列于表1.3。

表1.3 各塔段水平风力计算结果塔段号123456脉动增大系数ζ（B 类） 1.47 脉动影响系数i v （B 类） 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 振型系数zi Φ0.016 0.0375 0.402 0.753 1 风压高度变化系数i f （B 类）0.160.640.881.001.08fiV 1K iZ i 2i Φ+=ζ 1.1058 1.062 1.4835 1.7970 1.98001K 0.72i K1.0811.0921.2491.6162.1172.532）（20N/m /q 300i f 0.64 0.8 1.0 1.23 1.39 1.52 mm /l i1000 1000 2000 3000 3000 3000 mm /D ei4078 4078 4578 4411 4411 4411 N /Pi592.5695.82401.55523.68177.410695.16.4.2风弯矩计算：风弯矩由下式计算：⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎭⎫ ⎝⎛++=+++++++2l l l l P 2l l l P 2l l P 2l P M n 2i 1i i n 2i 1i i 2i 1i i 1i i i1-1w 0-0截面：⎪⎭⎫ ⎝⎛++++++⋅⋅⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2l l l l l l P 2l l l P 2l l P 2l P M 6543216321321211-0w 810001000592.5695.810002401.5222000100010005523.6230001000100020008177.423000100010002000300010695.1230001000100020003000300022.3110N mm ⎛⎫=⨯+⨯++⨯ ⎪⎝⎭⎛⎫+++⨯⎪⎝⎭⎛⎫++++⨯⎪⎝⎭⎛⎫+++++⨯⎪⎝⎭⎛⎫+++++ ⎪⎝⎭=⨯⋅（）1-1截面：⎪⎭⎫ ⎝⎛++++++⋅⋅⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛++++⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2l l l l l l P 2l l l l P 2l l P 2l P M 654321643214323221-1w810002000695.82401.510005523.62230003000100020008177.410002000300010695.1223000100020003000300024.2710N mm ⎛⎫=⨯+⨯++⨯ ⎪⎝⎭⎛⎫⎛⎫+++⨯++++⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫++++ ⎪⎝⎭=⨯⋅（）2-2截面：⎪⎭⎫ ⎝⎛++++++⎪⎭⎫ ⎝⎛+++++⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2l l l l l l P 2l l l l l P 2l l P 2l P M 6543216543215434332-2w ）（mm N 100507.1275007500750035005.2234527500750035001.170852750035006.11540235004.41849⋅⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛++⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯=6.5各种载荷引起的轴向应力 6.5.1计算压力引起的轴向应力()10.1118230010.71446c i e P D MPa S σ⨯==⨯ 6.5.2操作质量引起的轴向压应力2σ 0-0截面：000000002sb is es m g m g 18510.69.81 4.19MPa A D S 3.1423006σ---⨯=-=-=-=-⨯⨯π 1-1截面：()111111002sm sm 18510.63419.81m g m g3.07MPa A A 57977σ----⨯=-=-=-=- 式中：sm A ------裙座人孔处截面的即积，由式得()222sm A 2316230057977mm 4π=-=2-2截面：()222222002sm i e 18510.63413419.81m g m g4.04MPa A D S 3.1423006σ-----⨯=-=-=-=-⨯⨯π 6.5.3最大弯矩引起的轴向应力3σ最大弯矩i-i max M取下式计算值中最大值：⎪⎩⎪⎨⎧+==i-i wi -i E i -i max i -i wi -i max M 25.0M M M M 计算结果如表1.4。