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 。
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。
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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表12-10 轴向最大应力的校核条件 强度校 名 称 稳定性校核 核 轴向最大拉应 ≤K[]tf 力max
第九章 塔设备强度设 计计算
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。
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
i i 2
i i 3
)
（2） 外压操作的塔设备
① 最大组合轴向压应力，出现 在正常操作时的背风侧，即： i i i i max ( 1 2 3 )
② 最大组合轴向拉应力，出现在 停修时的迎风侧，即： i i i i max 2 3
2. 强度与稳定性校核
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
i i max
M M
i i W i i E
Me 0.25 M
i i W
Me
(取大值)
水压试验时间人为选定且时间较 短，在实验情况下最大弯矩取值
M
i i max
0.3M
x
+ + +
0 -
1-2+3
-（2+3） -（1+2+3）
（1） 内压操作的塔设备
① 最大组合轴向拉应力，出现在 正常操作时的迎风侧，即： i i i i max 1 2 3 ② 最大组合轴向压应力，出现在 停修时的背风侧，即：
max (
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 pc Di 1 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）
m gF 2 Di ei
i i 0 i i v
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 M e。
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； 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； 设备操作时质量： m2:内件质量； M 0 = m 1 + m 2 + m3 m3:保温材料质量； + m 4 + m 5 + m a +m e m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料； 设备最大质量 ma:人孔、接管等附件； （水压试验时）： Mmax=m1+m2+m3 me:偏心质量； + m 4 + m w + m a +m e mw:液压试验塔内充液 0.2m2:部分内件焊在塔体 设备最小质量：
按第七章"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。
i i W
Me
最大弯矩在筒体中引起轴向应力
4M 3 D
i i max 2 i 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
空塔吊装，如未装保温层、 平台、扶梯等，则mmin应扣 除m 3 和m 4。
mmin =m1+0.2m2 +m3+m4 +ma+me
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。
3. 风载荷
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。
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。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。
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 应力和轴向弯矩Me，
轴向最大压应 力max ≤K[]t ≤K0.06Etei/Ri
K为载荷组合系数，取K=1.2。
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。