塔设备强度设计计算
塔设备强度计算-裙座基础环和螺栓计算
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按表4-35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。
填料塔的简单介绍及其相应计算教材
目录一、塔设备的概述 (2)1.1 填料塔 (3)1.2 板式塔 (4)1.3填料塔与板式塔的比较 (5)二、塔设备设计的基本步骤 (6)三、塔设备的强度和稳定性计算 (6)3.1塔设备的载荷分析和设计准则 (6)3.2 质量载荷 (8)3.3地震载荷 (8)3.4偏心弯矩 (8)3.5最大弯矩 (8)3.6 圆筒轴向应力核核 (9)3.6.1 圆筒轴向应力 (9)3.6.2 圆筒稳定校核 (9)3.6.3 圆筒拉应力校核 (10)3.7裙座轴向应力校核 (10)3.7.1 裙座底截面的组合应力 (10)4.7.2裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 (11)4.8轴向应力校核条件 (12)五、心得体会 (13)一、塔设备的概述塔设备是石油化工、化学工业、石油工业等生产中最重要的设备之一。
它可使气（汽）液或液液相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。
在塔设备中能进行的单元操作有：精馏、吸收、解吸，气体的增湿及冷却等。
表1中所示为几个典型的实例。
表1 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例实现气（汽）—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际传质和传热的目的。
塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置性能好坏、对整个装置的生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。
因此对设备的研究一直是工程界所关注的热点。
随着石油、化工的发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视。
为了使塔设备能更有效、更经济的运行，除了要求它满足特定的工艺条件，还应满足以下基本要求。
①满足特定的工艺条件；②气—液两相能充分接触，相际传热面积大；③生产能力大，即气、液处理量大；④操作稳定，操作弹性大，对工作负荷的波动不敏感；⑤结构简单、制造、安装、维修方便，设备投资及操作成本低；⑥耐腐蚀，不易堵塞。
为了便于研究和比较,人们从不同的角度对塔设备进行分类。
塔设备机械设计说明
第一章绪论1.1塔设备概述塔设备是石油、化工、轻工等各工业生产中仅次与换热设备的常见设备。
在上述各工业生产过程中，常常需要将原料中间产物或粗产品中的各个组成部分（称为组分）分离出来作为产品或作为进一步生产的精制原料，如石油的分离、粗酒精的提纯等。
这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，有时还伴有传热和化学反应过程。
传质过程是化学工程中一个重要的基本过程，通常采用蒸馏、吸收、萃取。
以及吸附、离子交换、干燥等方法。
相对应的设备又可称为蒸馏塔、吸收塔、萃取塔等。
在塔设备中所进行的工艺过程虽然各不相同，但从传质的必要条件看，都要求在塔内有足够的时间和足够的空间进行接触，同时为提高传质效果，必须使物料的接触尽可能的密切，接触面积尽可能大。
为此常在塔内设置各种结构形式的内件，以把气体和液体物料分散成许多细小的气泡和液滴。
根据塔内的内件的不同，可将塔设备分为填料塔和板式塔。
在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。
两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。
不论是填料塔还是板式塔，从设备设计角度看，其基本结构可以概括为：（1）塔体，包括圆筒、端盖和联接法兰等；（2）内件，指塔盘或填料及其支承装置；（3）支座，一般为裙式支座；（4）附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。
塔体是塔设备的外壳。
常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒及上、下椭圆形封头所组成。
随着装置的大型化，为了节省材料，也有用不等直径、不等壁厚的塔体。
塔体除应满足工艺条件下的强度要求外，还应校核风力、地震、偏心等载荷作用下的强度和刚度，以及水压试验、吊装、运输、开停车情况下的强度和刚度。
另外对塔体安装的不垂直度和弯曲度也有一定的要求。
支座是塔体的支承并与基础连接的部分，一般采用裙座。
其高度视附属设备（如再沸器、泵等）及管道布置而定。
它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，因此，应有足够的强度和刚度。
第八章-塔设备的机械设计
Fi hi
i 1
对于等直径、等壁厚塔器的底截面 地震弯矩为：
M
00 E
16 35
1m0
gH
(N mm)
风载荷
风对塔体的作用之一是造成风弯矩，在迎风面的塔壁 和裙座体壁引起拉应力，背风面一侧引起压应力；作 用之二是气流在风的背向引起周期性旋涡，即卡曼涡 街，导致塔体在垂直于风的方向产生周期振动，这种 情况仅仅出现在H/D较大，风速较大时比较明显，一般 不予以考虑。
M
ii max
/
0.785Di2
S
e
2
式中M
ii max
maxM M
ii W
ii E
Me
25%M
ii W
M e
稳定条件：
组合轴向压应 力要满足：
ii m a x压
[ ]cr
KB
minK[ ]t
式中K——载荷组合系数，取K=1.2; B——见书p172。
4 塔体拉应力验算
依前述，假设一有效壁厚Se3。 计算σ1,σ2,σ3，并进行组合，满足如下强度条件：
m0 m01 m02 m03 m04 m05 ma me
(8-1)
塔设备在水压试验时的最大质量
mmax m01 m02 m03 m04 mw ma me (8-2)
塔设备在吊装时的最小质量
mmin m01 0.2m02 m03 m04 ma me (8-3)
地震载荷
(5)水压试验验算。
8.2 裙座设计
四个部分： 1.座体---承受并传
递塔体载荷。 2.基础环---将载荷
传递到基础上。 3.螺栓座---固定塔
于基础上。 4.管孔---人孔、排
气孔、引出管孔。
塔设备强度计算 裙座基础环和螺栓计算
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。
塔设备计算机辅助强度计算及校核
图 ２ 材 料 许 用 应 力 的 选 取
图 １ 简体、 封头壁厚计 算
需要指 出的是 ， 进行壁 厚计算时需要 用到设计压力 ， 而界 面 中用 户输入 的是工作压力 ， 设计 压力 的确定是根据工作压力
收 稿 日期 ：０ ７ ０ — ３ ２ ０ — ８ ２
图 ３焊 缝系数 的选取
起的圆筒轴 向应力校核 ， 裙座壳轴 向应力校核及塔器压力试验 时的应力校核 。为了便于操作 ， 本软件将 塔体各危险截面的校
测比例后单击“ 确定 ” 后显示结果 ， 并在图 １ 所示界 面 自动显示 查 询结果 。采用这种查询方式 ， 避免 了用户另外查 阅资料 的麻 烦， 给用户 的操作带来了极大 的方便。 封头包括标准椭 圆封头 、 锥形封头 、 碟形封头等型式 。 封头 参数的确定由两种方式 ， 一种方式是根据用户输入 的参数直接 由公式计算 ， 并将结果显示在相应的文本框 中。另一种是采用 与确定材料许用应力相 同的方 式将 国家标准规定 的封 头的相
１ 塔设 备计 算机 辅助 强度 计算
１１ 简体 、 ． 封头的壁厚计算 进行简 体厚度计算需要先 在如图 １ 所示对 话框 中输 入相 关参数 ， 如工作压力 、 简体直径等 ， 然后单 击“ 确定” 钮 ， 按 程序 开始简体壁厚计算 ， 并将计算结果显示 出来 。同样 ， 单击“ 上封 头 ” 下封头 ” 或“ 也可 以在此界 面中很方便 的得 到上 、 下封 头的
作者简介 ： 吴俊飞（ ９ ８ ） ， １６ 一 男 青岛科 技大学研 究生处副处 长 ， 学博 士， 工 副教授 ， 硕士生导师， 主要研究方向 ： 化工设备安全技术 ， 高压技术 ； 超
付 平（ ９ １ ）女 ， １７ 一 ， 青岛科 技大学 机电学院 ， 硕士 ， 授， 副教 主要研究方 向： 计算机辅助参数化设计 。
第三节 塔体强度校核
（1）风压的计算 ） 计算风压时，对于高度在10m以下的塔，按一段计算，以塔顶部 以下的塔， 计算风压时，对于高度在 以下的塔 按一段计算， 的风压值作为塔设备的均布风压，对于高度超过10m的塔体，应以 的塔体， 的风压值作为塔设备的均布风压，对于高度超过 的塔体 10m为一段分段计算，且将风力简化为作用于整段上的均布载荷。其 为一段分段计算， 为一段分段计算 且将风力简化为作用于整段上的均布载荷。 中任意计算段的风压为： 中任意计算段的风压为：
Doi------塔体各计算段处的外径，m； 塔体各计算段处的外径， ； 塔体各计算段处的外径 Do------塔顶管线外径，m； 塔顶管线外径， δsi ------ 塔设备第i段保温层厚度，m； 段保温层厚度， δps -------塔顶管线保温层厚度，m； 塔顶管线保温层厚度， K3------笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可 取K3=0.400m 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时， K4------操作平台当量宽度，m； 操作平台当量宽度， ∑A------第i段内平台构件的投影面积，m2； 段内平台构件的投影面积， L0------操作平台所在计算段的长度，m； 操作平台所在计算段的长度，
1．正确选材 ． 金属材料的耐腐性能，与所接触的介质有关，因此，应根据介质的特性 合理选择。 2．采用覆盖层 ． 覆盖层的作用是将主体与介质隔绝开来。常用的有金属覆盖层与非金属 覆盖层。金属覆盖层是用对某种介质耐蚀性能好的金属材料覆盖在耐蚀性 能较差的金属材料上。常用的方法如电镀、喷镀、不锈钢衬里等。非金属 保护层常用的方法是在设备内部衬以非金属材料或涂防腐涂料。 3．采用电化学保护 ． 电化学保护是通过改变金属材料与介质电极电位来达到保护金属免受电 化学腐蚀的办法。电化学保护分阴极保护和阳极保护两种。其中阴极保护 法应用较多。 4．设计合理的结构 ． 塔设备的腐蚀在很多场合下与它们的结构有关，不合理的结构往往 引起 机械应力、热应力、应力集中和液体的滞留。这些都会加剧或产生腐蚀。 5．添加缓蚀剂 ． 在介质中加入一定量的缓蚀剂，可使设备腐蚀速度降低或停止。
塔设备04
系数α值，按图2查取；
αmax——地震影响系数α的最大值，按表4选取；
图2
1.0α
α
max
Ⅰ类场地土 Ⅱ类场地土
0.2 max
0.3 max T
T
Ⅲ类场地土
0.2α
max
0.7 max T
0
0.2 0.3 0.7 1.0
1.5
2.0
3.0
3.5T1s
Ⅰ类 微风化和中等风化的基石； Ⅱ类 除Ⅰ、Ⅲ类之外的一级稳定土； Ⅲ类 饱和松沙、淤泥和淤泥质土、冲填土、杂填土等；
i
——系数，按表3选取；
T1——塔设备的基本自振周期，s；由式（A）或（B） 计算； li——计算段的长度，mm；
Dei——塔设备各段的有效直径，mm；当笼式扶梯与进出 口管布置成180°时， ei Doi 2 si K 3 K 4 d 0 2 ps D
当笼式扶梯与进出口管布置成90°时，取下列二式中的
6
N
式中
q0 ——10 m高度处的基本风压值，按有关资料选取； fi ——风压高度变化系数，在100m以下时，按下式
计算或按表1选取： hit——塔设备第i段顶截面距地面的高度，m； K1——空气动力系数，取K1=0.7； K2i——风振系数， K 2i 1 i i
λi——系数，按表2求取；
塔设备任意危险截面I-I的最大弯矩按下面两式计 算取大值：
M max M W M e
I I I I
N mm
M max M E
I I I I
0.25M W M e
I I
首先按内压或外压圆筒及封头的设计方法，确定圆筒及 封头的有效厚度δe和δeh。再考虑制造、运输、安装的刚度要
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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，
应力和轴向弯矩Me，
M e me ge
㈢ 圆筒的应力
1．塔设备由内压或外压引起的轴向
应力1Biblioteka pc Di
4 ei
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）
2
m0ii g Fvii
Di ei
3．最大弯矩在筒体内引起的轴向
应力
风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩 Me。
计算地震载荷与计 算风载荷一样，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
有多种振型，任意高度hK处集 中质量mK引起基本振型的水平 地震力 FK1 Cza1hK1mK g
FK1-mK引起的基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；
mK-距离地面hK处的集中质量；
塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于
风向的诱发振动弯矩。只在塔H/D较
大、风速较大时较明显，一般可忽略。 考虑两弯矩矢量叠加。
（1）水平风力的计算
迎风面产生风压。与风速、 空气密度、地区和季节有关。 各地离地面10m处30年一遇 10分钟内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。
Cza1m0
gH
等直径、等厚度塔的任意截面i-i和底
截面0-0的基本振型地震弯矩：
M ii Ei
8Cza1m0 g
175H 2.5
10H 3.5
14H 2.5h 4h3.5
H/D>15，或高度大于等
于20m时，考虑高振型
M ii E
1.25
M
ii Ei
5. 偏心载荷
塔外附属设 塔顶冷凝器偏心安装 塔底外侧悬挂再沸器 偏心载荷引起轴向压
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； 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； ma:人孔、接管等附件； me:偏心质量； mw:液压试验塔内充液
设备操作时质量：
M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me
设备最大质量 （水压试验时）：
图中0-0、1-1、2-2各 截面都是薄弱部位， 可选为计算截面。
4. 地震载荷
地震烈度七度及以上地区，设计 时必须考虑地震载荷。 地震波作用下： 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。
计算地震力时，仅考 虑水平地震力，并把 塔设备看成是悬臂梁。
（1）水平地震力
实际全塔质量按全 塔或分段均布。
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。
通常操作下最大弯矩按下式取值：
M ii max
M M
ii W
ii E
Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me
0.2m2:部分内件焊在塔体 设备最小质量：
空塔吊装，如未装保温层、 mmin =m1+0.2m2
平除台m3和、m扶4。梯等，则mmin应扣
+m3+m4 +ma+me
3. 风载荷
室外自支承塔为悬臂梁。 产生风弯矩， 迎风面拉应力， 背风面压应力。
meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0
任意质量i处垂直地震力：
Fii
mi hi
n
F00 i 1,2,, n
mk hk
k 1
（3）地震弯矩
任意截面i-i基本振型地震弯矩：
n
M ii Ei
FK1 hK h
i 1
M 00 Ei
16 35
㈡ 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。
１． 操作压力
内压塔，周向及轴向拉应力； 外压塔，周向及轴向压应力。 操作压力对裙座不起作用。
２． 质量载荷
塔设备质量包括：
m1:塔体和裙座质量； m2:内件；m3:保温材料； 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；mw:液压试验时，塔内充液质量；
值。求出风载荷Pi
Pi K1K 2i q0 f i Li Dei 10 6
任意截面的风弯矩：
M ii w
Pi
Li 2
Pi1 Li
Li1 2
Pi
2
Li
Li1
Li2 2
等直径、等壁厚塔体 和裙座，风弯矩最 大值为最危险截面。
变截面塔体及开有人 孔的裙座体，各个 可疑的截面各自进 行应力校核。