化工机械基础(第三版)第十二章-塔设备强度设计计算
塔设备的强度计算
Dei== D0+2δsi+K3+K4 Dei== D0+2δsi+K3+K4+d0+2δps
式中：
D0—i —第i段塔式设备外直径 ， mm；
—si —圆筒或圆锥保温层或防火层厚度， mm；
max 1 2 3 K t
MPa
最大组合轴向压应力是在非操作时容器的背风侧，即：
max 2 3 cr
cr
KB
K
t
取其中的较小值
Ｂ按外压容器设计方法求取，可取
计算系数A：A 0.094e
Ri
根据材料按外压容器计算步骤查表取B值，或B= 2 AEt 3
K——载荷组合系数，取K = 1.2 φ——焊接接头系数
高阶振型阻尼比可参照第一节振型选取。
表7—10 对应于设防烈度max 值
设防烈度 设计基本地震加速度 地震综合影响系数最大值 max
7
8
9
0.1g 0.15g 0.2g 0.3g 0.4g
0.08 0.12 0.16 0.24 0.32
表7—9 各类场地土的特征周期 Tg 值
设计地震分组
第一组 第二组 第三组
0.9 0.05 i 0.5 5 i
1 ——直线下降段下降斜率的调整系数，按下式计算
1 0.02 (0.05 i ) / 8 2 ——阻尼调整系数，按下式计算
i ——第i2阶振1型0阻.00.尼605比1，.7i通i 常应根据实测值确定。无实测值时，
一阶振型阻尼比可取 1 0.01 ~ 0.03
塔设备强度设计计算23页PPT
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塔设备强度设计计算
61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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
化工机械基础12塔设备强度设计计算
pi Di 4 ei gm
ii max
D i ei
0 .3 M
ii w
Me
2 i
0 . 785 D ei
0 . 9 K s
(2) 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
max
gm
ii max
D i ei
0 .3 M
按第十章"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。
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。
0 .3 M
i i W
Me
最大弯矩在筒体中引起轴向应力
3
4M
2 i ii max
D ei
１．最大轴向组合应力的计算
内压塔设备 正常操作 停修 外压塔设备 正常操作 迎风 背风 + + -2+3 停修 迎风 0 背 风
㈣ 筒体壁厚效核
迎风 背风 迎风 背风 1 应力 状态 2 3 ma
对接焊缝压应力，轴向载荷较高，一 般用于大型塔，搭接焊缝受剪应力， 一般用于小型塔
1、群座体与塔体对接焊缝
J-J截面的拉应力校核
2、群座体与塔体搭接焊缝
J-J截面的剪应力校核
思考题：
1.自支撑式塔设备设计时需要 考虑哪些载荷？ 2.简述内压塔操作时的危险工 况及强度校合条件。
i i 3
)
（2） 外压操作的塔设备
化工机械基础 塔设备强度设计计算课件
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。
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（1）水平地震力 实际全塔质量按全塔或分段均 布。 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。
操作压力、质量载荷、 风载荷、地震载荷、 偏心载荷等。
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㈠ 按设计压力计算筒体及封头壁厚
按第十章"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。
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。
meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0
任意质量i处垂直地震力：
Fii nmihi F00 i1,2,,n
mkhk
k1
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（3）地震弯矩
任意截面i-i基本振型地震弯矩：
n
Mii Ei
FK1 hKh
i1
任意截面的风弯矩：
M ii w
Pi
Li 2
Pi1 Li
Li1 2
Pi2 Leabharlann LiLi1
Li2 2
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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。 图中0-0、1-1、2-2各截面都 是薄弱部位，可选为计算截 面。
塔设备图结构设计与强度计算37页PPT
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
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塔体及裙座的强度计算
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。
塔设备强度设计计算概述
塔设备强度设计计算概述首先，塔设备强度设计计算需要对材料的强度特性进行分析和评估。
这包括了材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量等参数的确定，以及对材料的疲劳和断裂性能进行评估。
通过对材料性能的分析，可以确定塔设备所需的材料强度指标，并为后续的结构设计提供基础。
其次，塔设备强度设计计算还需要根据结构的特点和使用环境对其结构强度进行分析和计算。
这包括了对结构的受力情况、应力分布以及可能存在的疲劳破坏和变形情况进行评估。
通过对结构强度的计算，可以确定塔设备的结构形式和尺寸，以满足其强度要求。
另外，塔设备强度设计计算还需要进行荷载计算。
这包括了对塔设备受力情况的分析，根据其所承受的外部荷载和内部荷载进行计算，以确保其在使用过程中能够稳定和安全地工作。
总的来说，塔设备强度设计计算是一项复杂的工程计算工作，需要对材料强度、结构强度和荷载等多个方面进行综合分析和计算。
通过科学合理的设计计算，可以保证塔设备在使用过程中具有足够的强度和稳定性，为生产运行提供可靠的保障。
塔设备强度设计计算在工程领域中的重要性不言而喻。
塔设备通常用于支撑和承载各种重要设备和结构，如通讯设备、风力发电机、天线、烟囱等。
塔设备的稳定性和强度显然是至关重要的，因为如果塔设备结构设计不当或计算不准确，可能会导致结构破坏甚至倒塌，造成严重的人员伤亡和财产损失。
一般而言，塔设备的强度设计计算需要从结构设计、材料选取、受力分析、以及荷载计算等多个方面进行综合考虑。
首先，对于塔设备的结构设计，需要确保塔身、角钢、连接部位等都能够承受预期的荷载。
这需要对实际使用环境、风荷载、地震荷载等进行全面的分析和评估。
因此，在强度设计计算过程中，需要考虑各种极端和临界情况下的力学响应。
其次，材料的选取也是很重要的。
在塔设备强度设计计算中，需要选择合适的结构材料，例如碳钢、合金钢、铝合金等，以保证塔设备在受力状态下有足够的强度和刚度。
材料的强度参数、蠕变性能、疲劳性能等都必须得到足够的评估和证明。
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任意质量i处垂直地震力：
Fii
mi hi
n
F00 i 1,2,, n
mk hk
k 1
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（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
Cz1m0
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
操作压力、质量载荷、 风载荷、地震载荷、 偏心载荷等。
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㈠ 按设计压力计算筒体及封头壁厚
按第十章"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。
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。
M ii w
Pi
Li 2
Pi1 Li
Li1 2
Pi
2
Li
Li1
Li2 2
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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。 图中0-0、1-1、2-2各截面都 是薄弱部位，可选为计算截 面。
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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。
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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；
向弯矩Me
M e me ge
操作停修或水压试验等不同工况物料或充水质量。
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m1:塔体和裙座质量；
设备操作时质量：
m2:内件质量； m3:保温材料质量；
M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me
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；
设备最大质量（水压试验时）：
Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me
mw:液压试验塔内充液
设备最小质量：
0.2m2:部分内件焊在塔体
mmin =m1+0.2m2
空塔吊装，如未装保温层、平台、 +m3+m4 +ma+me
扶梯等，则mmin应扣除m3和m4。首页 末页 向上 向下 返回 结束 调音
风压，得到该地区的基本风压q0，见表12-2。
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12-3。
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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
i 1 n
mihi3
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
F m g 塔底截面处垂直地震力： 00
max eq
avmax-垂直地震影响系数最大值， avmax= 0.65amax
meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0
弯矩：
M ii Ei
8Cz1m0 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
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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应力和轴
K 2i
1 vizi
fi
z-脉动增大系数，按表12-4查取；
Vi-第i段脉动影响系数，按表12-5查 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表12-6；
（2）风弯矩 一般习惯自地面起每隔10m一段，
风压定值。求出风载荷Pi
Pi K1K 2i q0 fi Li Dei 10 6
任意截面的风弯矩：
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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 Cz1K1mK 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；
n
h1.5 K
mi
h1.5 i
hK1-基本振型参与系数，K1
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。
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。
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（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
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12-3 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，
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，
第十二章 塔设备强度设计计算
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主要内容：
➢ 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。
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一、塔体强度计算
室外H/D较大的塔，
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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。
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（1）水平地震力 实际全塔质量按全塔或分段均 布。 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。