第八章 塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)

第八章塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)

教學(xué)重點(diǎn)：板式塔的基本結(jié)構(gòu)和塔設(shè)備的應(yīng)力校核教學(xué)難點(diǎn)：風(fēng)載荷的計(jì)算基本結(jié)構(gòu)：塔體：包括筒節(jié)、端蓋和聯(lián)接法蘭等；內(nèi)件：塔板或填料及其支承裝置；支座：一般為裙式支座；附件：包括人孔、進(jìn)出料接管、各類儀表接管、液體和氣體的分配裝置，以及塔外的扶梯、平臺(tái)、保溫層等。）（一）塔體厚度的計(jì)算第一節(jié)塔體與裙座的機(jī)械設(shè)計(jì)1、按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算筒體及封頭壁厚（強(qiáng)度）按第四章“內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)”以及第五章“外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)”方法，計(jì)算塔體和封頭的有效厚度。（二）塔設(shè)備所承受的各種載荷計(jì)算（穩(wěn)定性）以下要討論的載荷主要有：

操作壓力；質(zhì)量載荷；風(fēng)載荷；地震載荷；偏心載荷。

塔設(shè)備自重載荷的計(jì)算

m01------塔體重量（包括外殼及伸出的接管）m02------塔內(nèi)件重量m03------保溫層重量m04------平臺(tái)和扶梯的重量m05------物料重量me-------偏心重量ma-------附件重量（人孔、法蘭）mw------充水重量塔設(shè)備在正常操作時(shí)的質(zhì)量塔設(shè)備在水壓試驗(yàn)時(shí)的最大質(zhì)量塔設(shè)備在吊裝時(shí)的最小質(zhì)量(8-1)(8-2)(8-3)地震載荷當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，塔設(shè)備作為懸壁梁，在地震載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形。所以，安裝在7度及7度以上地震烈度地區(qū)的塔設(shè)備必須考慮它的抗震能力，計(jì)算出水平地震力，垂直地震力和地震彎矩。塔設(shè)備作為懸壁梁，在地震載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形。

將質(zhì)量離散：簡(jiǎn)化力學(xué)模型———多質(zhì)點(diǎn)體系的懸臂梁發(fā)生地震時(shí)的受力地震載荷及塔體內(nèi)力（1）.水平地震力任一段集中質(zhì)量mk所引起的基本振型水平地震力為：

Fk=α1ηkmkgN式中α1——對(duì)應(yīng)于設(shè)備基本自振周期T1的地震影響系數(shù)；

ηk——基本振型參與系數(shù)；

mk——任一段（第k段）塔體的操作質(zhì)量。（2）.垂直地震力地震烈度為8度或9度地區(qū)的塔設(shè)備考慮垂直地震力。垂直地震力的作用點(diǎn)：塔器底截面。計(jì)算式：Fv=αvmax·meq．g式中αvmax——垂直地震影響系數(shù)最大值，取0.6αmax。

meq——塔器的當(dāng)量質(zhì)量，取0.75m0

。3.地震彎距懸臂梁的彎矩：任一質(zhì)點(diǎn)mk對(duì)塔底(0-0截面）的彎矩為：

所有質(zhì)點(diǎn)（k=1,2,……n)對(duì)塔底截面的彎矩和為：對(duì)于等直徑、等壁厚塔器的底截面地震彎矩為：風(fēng)對(duì)塔體的作用之一是造成風(fēng)彎矩，在迎風(fēng)面的塔壁和裙座體壁引起拉應(yīng)力，背風(fēng)面一側(cè)引起壓應(yīng)力；作用之二是氣流在風(fēng)的背向引起周期性旋渦，即卡曼渦街，導(dǎo)致塔體在垂直于風(fēng)的方向產(chǎn)生周期振動(dòng)，這種情況僅僅出現(xiàn)在H/D較大，風(fēng)速較大時(shí)比較明顯，一般不予以考慮。

風(fēng)載荷

塔的迎風(fēng)面受到風(fēng)壓載荷，并隨高度而增加。將風(fēng)壓按塔的高度離散，任一計(jì)算段的風(fēng)載荷，就假定是集中作用在該段中點(diǎn)的風(fēng)壓合力：（1）.力學(xué)模型的簡(jiǎn)化：風(fēng)載荷及塔體內(nèi)力計(jì)算步驟

分段（圖8-8）選危險(xiǎn)截面0—0截面，塔設(shè)備的基底截面；

1—1截面，裙座上人孔或較大管線引出孔處的截面；2—2截面，塔體與裙座連接焊縫處的截面。兩相鄰計(jì)算截面間的水平風(fēng)力

(8-4)式中─塔設(shè)備中第i段的水平風(fēng)力，N；─體型系數(shù),取0.7；─塔設(shè)備中第i計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)；─風(fēng)壓高度變化系數(shù),按表8-5查??；─各地區(qū)的基本風(fēng)壓，N/m2，見表8-4；─塔設(shè)備各計(jì)算段的計(jì)算高度(見圖8-8)，mm；

─塔設(shè)備中第i段的有效直徑，mm

.

將塔設(shè)備沿高度分為若干段，則水平風(fēng)力在任意截面處的風(fēng)彎矩為（圖8-8所示）風(fēng)載荷對(duì)基底截面的彎矩：風(fēng)彎矩

塔設(shè)備頂部懸掛有分離器、冷凝器等附屬設(shè)備，其重力對(duì)塔體產(chǎn)生偏心載荷。

偏心載荷引起的彎矩：Me=meg·e

偏心載荷計(jì)算

載荷產(chǎn)生的彎矩為：(8-6)─重力加速度，m/s2;式中─偏心距，即偏心質(zhì)量中心至塔設(shè)備中心線間的距離，m；─偏心彎矩，N·m。7.1.2自支撐式塔設(shè)備塔體壁厚的確定方法1.塔設(shè)備的危險(xiǎn)截面：0-0截面——基底；1-1截面——人孔截面；2-2截面——塔體與裙座連接焊縫截面。位于塔體上的危險(xiǎn)截面——2-2截面。2.塔體應(yīng)力組合（2-2截面）組合軸向應(yīng)力的構(gòu)成：σ1——介質(zhì)壓力引起的軸向應(yīng)力；σ2——塔體自重引起的軸向應(yīng)力；σ3——塔體所受彎矩引起的軸向應(yīng)力。例如，內(nèi)壓操作的塔設(shè)備在2-2截面處的應(yīng)力組合：位于背風(fēng)面，組合軸向應(yīng)力為：σ=σ1-σ2-σ3位于迎風(fēng)面，組合軸向應(yīng)力為：σ=σ1-σ2+σ33、塔體穩(wěn)定校核

計(jì)算壓力在塔體中引起的軸向應(yīng)力

重量載荷及垂直地震力在塔體中引起的軸向應(yīng)力

彎矩在塔體中引起的軸向應(yīng)力第一筒體軸向應(yīng)力軸向許用壓應(yīng)力第二其中B為許用軸向壓縮應(yīng)力。和B的確定參見本書第5章。

第三內(nèi)壓塔在停車時(shí)和操作時(shí)的應(yīng)力組合：操作時(shí)停車時(shí)內(nèi)壓操作的塔設(shè)備，最大組合軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在停車情況

外壓操作的塔設(shè)備，最大組合軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在正常操作情況

3.塔體壁厚的確定方法（1）依據(jù)內(nèi)壓容器或外壓容器壁厚設(shè)計(jì)方法確定塔體有效壁厚Se1。（2）塔體穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)（1）假定一有效壁厚Se2?！裼?jì)算壓力引起的軸向應(yīng)力：

●自重載荷及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力：●彎矩在塔體中引起的軸向應(yīng)力：穩(wěn)定條件：組合軸向壓應(yīng)力要滿足：式中K——載荷組合系數(shù)，取K=1.2;B——見書p172。4塔體拉應(yīng)力驗(yàn)算依前述，假設(shè)一有效壁厚Se3。計(jì)算σ1,σ2,σ3，并進(jìn)行組合，滿足如下強(qiáng)度條件：5水壓試驗(yàn)應(yīng)力驗(yàn)算確定塔殼體試驗(yàn)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，驗(yàn)算是否滿足強(qiáng)度條件和穩(wěn)定條件。由試驗(yàn)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力：水壓試驗(yàn)組合軸向應(yīng)力的確定：由試驗(yàn)壓力引起的軸向應(yīng)力：由液壓試驗(yàn)時(shí)重力引起的軸向應(yīng)力：由彎矩引起的軸向應(yīng)力：液壓試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性判據(jù)：式中K——載荷組合系數(shù)，取K=1.2;[σ]cr——許用軸向壓應(yīng)力，塔體壁厚確定方法：(1)根據(jù)內(nèi)(外)計(jì)算壓力,確定容器設(shè)計(jì)計(jì)算壁厚，確定一有效壁厚Se1;(2)參照Se1，進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，確定一有效壁厚Se2;(3)參照Se2，進(jìn)行塔體拉應(yīng)力驗(yàn)算，確定一有效壁厚Se3;(4)取Se1、Se2、Se3中較大者，加上壁厚附加量，并考慮安裝運(yùn)輸?shù)葘?duì)剛度的要求，最終確定塔體壁厚；(5)水壓試驗(yàn)驗(yàn)算。8.2裙座設(shè)計(jì)四個(gè)部分：1.座體---承受并傳遞塔體載荷。2.基礎(chǔ)環(huán)---將載荷傳遞到基礎(chǔ)上。3.螺栓座---固定塔于基礎(chǔ)上。4.管孔---人孔、排氣孔、引出管孔。8.2.1裙座結(jié)構(gòu)按所支承設(shè)備的高度與直徑比，裙座分成兩種：一種是圓筒形一種是圓錐形圓筒形裙座：制造方便和節(jié)省材料，被廣泛采用。圓錐形裙座：地腳螺栓較多和基礎(chǔ)環(huán)承受面積較大，承受較大風(fēng)載荷和地震載荷。裙座筒體受載：受到重量和各種彎矩的作用，但不承受壓力。應(yīng)力校核：只校核危險(xiǎn)截面的最大軸向壓縮應(yīng)力。

(因?yàn)檩S向組合拉伸應(yīng)力總是小于軸向組合壓縮應(yīng)力)2、設(shè)計(jì)1）座體設(shè)計(jì)首先參照塔體厚度試取一座體的有效厚度δes，然后驗(yàn)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力。

危險(xiǎn)截面位置，一般取裙座基底截面（0－0截面）或人孔處（1－1截面）。如基底為危險(xiǎn)截面時(shí)應(yīng)滿足下列條件：其中Fv0－0僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。

操作時(shí)其中Fv1－1僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。如裙座上人孔或較大管線引出孔處為危險(xiǎn)截面時(shí)應(yīng)滿足下列條件：2）基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)環(huán)厚度的確定方法：

將座體載荷轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的均布載荷，計(jì)算彎矩載荷，再確定板厚。塔設(shè)備的重量，風(fēng)載荷、地震載荷及偏心載荷引起的彎矩通過裙座筒體作用在基礎(chǔ)環(huán)上的力。（1）基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)力分布基礎(chǔ)環(huán)上受到的力：基礎(chǔ)環(huán)上的應(yīng)力：壓縮應(yīng)力始終大于拉伸應(yīng)力。①基礎(chǔ)環(huán)尺寸的確定基礎(chǔ)環(huán)的內(nèi)、外徑一般可以參照下式選?。?/p>

Dob＝Dis＋（160～400）（mm）

Dib

＝Dis－（160～400）（mm）②基礎(chǔ)環(huán)厚度計(jì)算操作時(shí)或水壓試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備重量和彎矩在混凝土基礎(chǔ)上（基礎(chǔ)環(huán)底面上）所產(chǎn)生的最大組合軸向壓應(yīng)力為：基礎(chǔ)環(huán)的軸向壓應(yīng)力須滿足σbmax≤Ra，Ra為混凝土基礎(chǔ)的許用應(yīng)力。

（1）基礎(chǔ)環(huán)板上無筋板基礎(chǔ)環(huán)板厚度不小于16mm基礎(chǔ)環(huán)板厚度不小于16mm（2）基礎(chǔ)環(huán)板上有筋板基礎(chǔ)環(huán)厚度求出，應(yīng)加上壁厚附加量2mm，并圓整到鋼板的規(guī)格厚度，無論無筋板或有筋板的基礎(chǔ)環(huán)厚度均不得小于16mm。3）地腳螺栓⒈作用:a.正確固定塔的位置

b.防止塔在風(fēng)彎矩或地震彎矩等作用下發(fā)生傾倒。⒉計(jì)算原則:按拉伸計(jì)算→確定n、d⒊計(jì)算：

⑴迎風(fēng)側(cè)地腳螺栓承受的最大應(yīng)力σB：如σB＜0→則表示塔設(shè)備自身穩(wěn)定不會(huì)傾倒,原則上可不設(shè)地腳螺栓,但是為了固定設(shè)備的位置,

還應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓如σB＞0→則必須安裝地腳螺栓并進(jìn)行計(jì)算

③地腳螺栓計(jì)算地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力為：

如果σB≤0，則設(shè)備自身足夠穩(wěn)定，為固定設(shè)備，設(shè)置一定數(shù)量的地腳螺栓。如果σB＞0，設(shè)備必須安裝地腳螺栓，并計(jì)算地腳螺栓的螺紋根部的直徑d1。計(jì)算時(shí)可先按4的倍數(shù)假定地腳螺栓的數(shù)量n，再按下式計(jì)算：圓整后地腳螺栓的公稱直徑不得小于M24。4）裙座與塔體的連接①裙座與塔體連接焊縫結(jié)構(gòu)a、對(duì)接焊縫②裙座與塔體對(duì)接焊縫的驗(yàn)算對(duì)接焊縫J－J截面處的最大拉應(yīng)力：③裙座與塔體搭接焊縫的驗(yàn)算

J－J截面處搭接焊縫的剪應(yīng)力按下列兩式之一驗(yàn)算：一、總體結(jié)構(gòu)第二節(jié)板式塔結(jié)構(gòu)1、塔體與裙座結(jié)構(gòu)2、塔盤結(jié)構(gòu)：塔盤板、降液管、溢流堰、緊固件和支承件。3、除沫裝置：用于分離氣體夾帶的液滴，多位于塔頂出口處。4、設(shè)備管道：人孔、接管等。5、塔附件：保溫圈、吊柱、扶梯、平臺(tái)等。圖8-15板式塔的總體結(jié)構(gòu)一除沫器二、塔盤結(jié)構(gòu)塔盤實(shí)際上是塔中的氣、液通道。為了滿足正常操作要求，塔盤結(jié)構(gòu)本身必須具有一定的剛度以維持水平，塔盤與塔壁之間要保持一定的密封性以避免氣、液短路。塔盤的結(jié)構(gòu)有整塊式和分塊式兩種。整塊式塔盤DN≤700mm分塊式塔盤DN≥800mm塔盤間距（1）最高一層便于除沫（2）最低一層貯槽作用，保證液體不流空（3）進(jìn)料層與上一層便于安裝塔內(nèi)附件（4）開人孔的塔盤便于維修和安裝結(jié)構(gòu)——塔體由若干塔節(jié)組成，內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，塔節(jié)間用法蘭連接。重疊式組裝方式定距管式1、整塊式塔盤

定距管式塔盤用定距管和拉桿將同一塔節(jié)內(nèi)的幾塊塔盤支承并固定在塔節(jié)內(nèi)的支座上，定距管起支承塔盤和保持塔盤間距的作用。塔盤與塔體之間的間隙，以軟填料密封并用壓圈壓緊,見圖7-43。高度隨塔徑增加。塔徑DN=300～500mm時(shí)，塔節(jié)高度L=800～1000mm；塔徑DN=600～700mm時(shí)，塔節(jié)高度L=1200～1500mm。為方便安裝，每個(gè)塔節(jié)中的塔盤數(shù)為5-6塊。1—塔盤板2—降液管3—拉桿4—定距管5—塔盤圈6—吊耳7—螺栓8—螺母9—壓板10—壓圈11—石棉繩圖8-17定距管式塔盤結(jié)構(gòu)圖7-44重疊式塔盤結(jié)構(gòu)

1—調(diào)節(jié)螺栓2—支承板

3—支柱4—壓圈

5—塔盤圈6—填料

7—支承圈8—壓板

9—螺母10—螺柱

11—塔盤板12—支座重疊式塔盤2、分塊式塔盤

在直徑較大的板式塔中，為了安裝檢修和增大塔板的剛度，將整塊塔盤分為若干塊，這種塔盤稱分塊式塔盤，根據(jù)裝配的位置不同可分為：矩形板、弓形板和通道板三種。安裝時(shí)由人孔將各塊板送入塔內(nèi)，拼裝在焊于塔壁上的支撐圈上。圖2-30分塊式塔盤結(jié)構(gòu)1做成分塊式的原因

1）在工藝上，塔徑大，塔盤過大，分液不均勻；2）對(duì)碳鋼，塔板厚3~4mm，不銹鋼2~3mm，塔徑過大，易形成弧形，安裝時(shí)水平度不好，從剛度出發(fā)，仍要分塊；3）塔板過大，不能放進(jìn)塔內(nèi)，因一般從人孔進(jìn)出，人孔尺寸有限制，因而塔盤受此限制要分塊。與整塊式的區(qū)別

分塊式：無塔盤圈，有支持圈(支持板)，無密封結(jié)構(gòu)整塊式：有塔盤圈，無支持圈(支持板)，有密封結(jié)構(gòu)塔盤板結(jié)構(gòu)

主要有自身梁式和槽式。圖8-18塔盤板結(jié)構(gòu)通道板——①目的:便于塔內(nèi)清洗和維修,使人能進(jìn)入各層塔盤②位置:a.在塔盤板接近中央處設(shè)置

b.各層通道板在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。

c.也可用一塊塔盤板代替圖7-48分塊式塔盤的組裝結(jié)構(gòu)1—出口堰2—上段降液板3—下段降液板4—受液盤5—支撐梁6—支撐圈7—受液盤8—入口堰9—塔盤邊板10—塔盤板11—緊固件12—通道板13—降液板14—出口堰15—緊固件16—連接板通道板塔盤連接的緊固方式橢圓墊板及螺柱:裝拆迅速方便,常用不銹鋼。楔形緊固件1—卡板2—橢圓墊板3—圓頭螺釘4—螺母圖7-52卡子的組裝結(jié)構(gòu)3、塔盤的支承對(duì)直徑不大的塔（＜2000mm)，塔盤的支承一般用焊在塔壁上的支持圈對(duì)直徑較大的塔（＞2000~3000mm），需支承梁結(jié)構(gòu)。第三節(jié)填料塔填料塔在傳質(zhì)形式上與板式塔不同，它是一種連續(xù)式氣液傳質(zhì)設(shè)備。這種塔由塔體、噴淋裝置、填料、再分布器、柵板以及氣、液的進(jìn)出口等部件組成。開發(fā)多種形式、規(guī)格和材質(zhì)的高效，低壓降，大流量的填料。(2)與不同填料相匹配的塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)。(3)填料層中液體的流動(dòng)及分布規(guī)律。(4)蒸餾過程的模擬。科技前沿基本特點(diǎn)圖8-20填料塔一、噴淋裝置要求：使整個(gè)塔截面的填料表面很好潤濕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維修方便。作用：噴出液體，使整個(gè)塔截面的填料很好潤濕，直接影響塔的處理能力和分離效率。1、噴灑型

管式噴灑器環(huán)管多孔噴灑器

蓮蓬頭噴灑器

管式噴灑器

DN≤300mm，可選用管式噴灑器，通過填料上的進(jìn)液管（直、彎或缺口）進(jìn)行噴灑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但噴淋面積較小且不均勻。圖8-21管式噴灑器環(huán)管多孔噴灑器

DN≤1200mm，可選用單環(huán)管多孔噴灑器，結(jié)