化工机械基础塔设备强度设计计算PPT讲稿.ppt

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1、化工机械基础塔设备强度设计计算第1页，共47页，编辑于2022年，星期五主要内容：主要内容：了解塔所承受载荷的特点。了解塔所承受载荷的特点。熟悉塔体和裙座承受的各项载熟悉塔体和裙座承受的各项载荷计算及强度校核步骤。荷计算及强度校核步骤。能够确定塔体和裙座体危险截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面，并掌握塔体壁厚的校核方法。法。第2页，共47页，编辑于2022年，星期五一、塔体一、塔体强度计算强度计算室外室外H H/D D较较大的塔，大的塔，操作压力、操作压力、质量载荷、质量载荷、风载荷、风载荷、地震载荷地震载荷偏心载荷等偏心载荷等第3页，共47页，编辑于2022年，星期五

2、按设计压力计算筒体及封头按设计压力计算筒体及封头壁厚壁厚 按第十章按第十章 容器设计基础容器设计基础 中中内压、外压容器的设计方法，内压、外压容器的设计方法，计算塔体和封头的有效厚度。计算塔体和封头的有效厚度。第4页，共47页，编辑于2022年，星期五 塔设备所承受的各种载荷计塔设备所承受的各种载荷计算算以下要讨论的载荷主要有：以下要讨论的载荷主要有：操作压力操作压力；质量载荷；质量载荷；风载荷；风载荷；地震载荷；地震载荷；偏心载荷。偏心载荷。第5页，共47页，编辑于2022年，星期五 操作压力操作压力内压塔，周向及轴向拉应力；内压塔，周向及轴向拉应力；外压塔，周向及轴向压应力。外压塔，周向及

3、轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。操作压力对裙座不起作用。第6页，共47页，编辑于2022年，星期五 质量载荷质量载荷塔设备质量包括：塔设备质量包括：mm1 1:塔体和裙座质量；塔体和裙座质量；mm2 2:内件；内件；mm3 3:保温材料；保温材料；mm4 4:平台、扶梯质量；平台、扶梯质量；mm5 5:操作时塔内物料质量；操作时塔内物料质量；mma a:人孔、接管、法兰等附件质量；人孔、接管、法兰等附件质量；mme e:偏心；偏心；mmww:液压试验时，塔内充液质量；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操作停修或水压试验等不同工况物料或充水质量。量。第7页，共

4、47页，编辑于2022年，星期五m m1 1:塔体和裙座质量；塔体和裙座质量；m m2 2:内件质量；内件质量；m m3 3:保温材料质量；保温材料质量；m m4 4:平台、扶梯质量；平台、扶梯质量；m m5 5:操作时塔内物料；操作时塔内物料；m ma a:人孔、接管等附件；人孔、接管等附件；m me e:偏心质量；偏心质量；m mw w:液压试验塔内充液液压试验塔内充液设备操作时质量：设备操作时质量：M M0 0=m m1 1+m m2 2+m m3 3 +m m4 4+m m5 5+m ma a+m me e 设备最大质量设备最大质量（水压试验时）：（水压试验时）：M Mmaxmax=m

5、 m1 1+m m2 2+m m3 3+m m4 4+m mw w+m ma a+m me e设备最小质量：设备最小质量：m mminmin=m m1 1+0.2+0.2m m2 2+m m3 3+m m4 4+m ma a+m+me e 0.20.2m m2 2:部分内件焊在塔体部分内件焊在塔体空塔吊装，如未装保温层、平空塔吊装，如未装保温层、平台、扶梯等，则台、扶梯等，则m mminmin应扣除应扣除m m3 3和和m m4 4。第8页，共47页，编辑于2022年，星期五3.3.风载荷风载荷室外自支承塔为悬臂梁。室外自支承塔为悬臂梁。产生风弯矩，产生风弯矩，迎风面拉应力，迎风面拉应力，背风

6、面压应力。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。只在塔的诱发振动弯矩。只在塔H H/D D较大、风速较大、风速较大时较明显，一般可忽略。考虑两弯较大时较明显，一般可忽略。考虑两弯矩矢量叠加。矩矢量叠加。第9页，共47页，编辑于2022年，星期五（1 1）水平风力的计算）水平风力的计算迎风面产生风压。与风速、迎风面产生风压。与风速、空气密度、地区和季节有关。空气密度、地区和季节有关。各地离地面各地离地面10m10m处处3030年一遇年一遇1010分钟内平均风速最大值作为计算风压，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

7、得到该地区的基本风压q q0 0，见，见表表12-212-2。风速随地面高度而变化。塔高于风速随地面高度而变化。塔高于10m10m，应分段应分段计算风载荷计算风载荷，视离地面高度的不同乘以高度变，视离地面高度的不同乘以高度变化系数化系数f fi i，见，见表表12-312-3。第10页，共47页，编辑于2022年，星期五风压还与塔高度、直径、形状以及自振周风压还与塔高度、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：期有关。两相邻计算截面间的水平风力为：P Pi i-水平风力；水平风力；q q0 0-基本风压值，见表基本风压值，见表12-212-2，但均，但均不应小于不应小于250

8、N/250N/2 2；f fi i-风压高度变化系数，风压高度变化系数，表表12-312-3 L Li i-第计算段长度；第计算段长度；D Deiei-塔各计算段有效直径；塔各计算段有效直径；K K1 1-体型系数，圆柱直立设备体型系数，圆柱直立设备0.70.7K K2i2i-各计算段风振系数，各计算段风振系数，第11页，共47页，编辑于2022年，星期五z z-脉动增大系数，按脉动增大系数，按表表12-412-4查取；查取；V Vi i-第第i i段脉动影响系数，按段脉动影响系数，按表表12-512-5查查 f fzi zi-第第i i段振型系数，根据段振型系数，根据H Hi i/H H与与

9、mm查查表表12-12-6 6；K K2i2i-塔设备各计算段的风振系数，塔设备各计算段的风振系数，当塔高当塔高H H20m20m时，取时，取K K2i2i=1.7=1.7；当当H H20m20m时，时，第12页，共47页，编辑于2022年，星期五（2 2）风弯矩）风弯矩任意截面的风弯矩：任意截面的风弯矩：一般习惯自地面起每隔一般习惯自地面起每隔10m10m一段，风压定值。一段，风压定值。求出风载荷求出风载荷P Pi i第13页，共47页，编辑于2022年，星期五等直径、等壁厚塔体和等直径、等壁厚塔体和裙座，风弯矩最大值裙座，风弯矩最大值为最危险截面为最危险截面。变截面塔体及开有人孔变截面塔体

10、及开有人孔的裙座体的裙座体，各个可疑各个可疑的截面各自进行应力的截面各自进行应力校核校核。图中图中0-00-0、1-11-1、2-22-2各截各截面都是薄弱部位，可面都是薄弱部位，可选为计算截面选为计算截面。第14页，共47页，编辑于2022年，星期五4.4.地震载荷地震载荷地震烈度七度及以上地区，设计时必地震烈度七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷。须考虑地震载荷。地震波作用下：地震波作用下：水平方向振动、水平方向振动、垂直方向振动、垂直方向振动、扭转扭转第15页，共47页，编辑于2022年，星期五其中以水平方向振动危其中以水平方向振动危害较大。害较大。计算地震力时，仅考计算地震力时，仅考

11、虑水平地震力，并把虑水平地震力，并把塔设备看成是悬臂梁。塔设备看成是悬臂梁。第16页，共47页，编辑于2022年，星期五（1 1）水平地震力）水平地震力实际全塔质量按全塔实际全塔质量按全塔或分段均布。或分段均布。计算地震载荷与计算计算地震载荷与计算风载荷一样，将全风载荷一样，将全塔沿高度分成若干塔沿高度分成若干段，每一段质量视段，每一段质量视为集中于该段为集中于该段1/21/2处处第17页，共47页，编辑于2022年，星期五F FK1K1-m mK K引起的基本振型水平地震力引起的基本振型水平地震力C Cz z-综合影响系数，直立圆筒综合影响系数，直立圆筒C Cz z=0.5=0.5；m mK

12、 K-距离地面距离地面h hK K处的集中质量；处的集中质量；h hK1K1-基本振型参与系数，基本振型参与系数，a a1 1-对应与塔基本自振周期对应与塔基本自振周期T T1 1的地震影响系数的地震影响系数a a值。值。有多种振型，任意高度有多种振型，任意高度h hK K处集中处集中质量质量mmK K引起基本振型的水平地引起基本振型的水平地震力震力第18页，共47页，编辑于2022年，星期五（2 2）垂直地震力）垂直地震力防烈度防烈度8 8度或度或9 9度的塔应考虑垂直地震力度的塔应考虑垂直地震力塔底截面处垂直地震力：塔底截面处垂直地震力：a avmaxvmax-垂直地震影响系数最大值，垂直

13、地震影响系数最大值，a avmaxvmax=0.65=0.65a amaxmaxm meqeq-塔设备的当量质量，塔设备的当量质量，m meqeq=0.75=0.75m m0 0 任意质量任意质量i i处垂直地震力：处垂直地震力：第19页，共47页，编辑于2022年，星期五（3 3）地震弯矩）地震弯矩任意截面任意截面i i-i i基本振型地震弯矩：基本振型地震弯矩：等直径、等厚度塔的任意截面等直径、等厚度塔的任意截面i i-i i和底截和底截面面0-00-0的基本振型地震弯矩：的基本振型地震弯矩：H H/D D1515，或高度大于等，或高度大于等于于20m20m时，考虑高振型时，考虑高振型第2

14、0页，共47页，编辑于2022年，星期五5.5.偏心载荷偏心载荷塔外附属设塔外附属设塔顶冷凝器偏心安装塔顶冷凝器偏心安装塔底外侧悬挂再沸器塔底外侧悬挂再沸器偏心载荷引起轴向压应偏心载荷引起轴向压应力和轴向弯矩力和轴向弯矩MMe e，第21页，共47页，编辑于2022年，星期五 圆筒的应力圆筒的应力 1 1塔设备由内压或外压引起的轴向应力塔设备由内压或外压引起的轴向应力2 2操作或非操作时，重量及垂直地震力操作或非操作时，重量及垂直地震力引起的轴向应力（压应力）引起的轴向应力（压应力）第22页，共47页，编辑于2022年，星期五3 3最大弯矩在筒体内引起的轴向最大弯矩在筒体内引起的轴向应力应力风

15、弯矩风弯矩MMWW、地震弯矩、地震弯矩MME E、偏心弯矩、偏心弯矩MMe e。最大平均风速和可能出现的最大地震烈度，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。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：通常操作下最大弯矩按下式取值：第23页，共47页，编辑于2022年，星期五最大弯矩在筒体中引起轴向应力最大弯矩在筒体中引起轴向应力水压试验时间人为选定且时间较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短，在实验情况下最大弯矩取值第24页，共47页，编辑于2022年，星期五 筒体壁厚效核筒体壁厚效核最大轴向组合应力的计算最大轴向组合应力的计算内压塔

16、设备内压塔设备外压塔设备外压塔设备正常操作正常操作停修停修正常操作正常操作停修停修迎风迎风 背风背风 迎风迎风 背风背风迎风迎风背风背风迎风迎风背背风风应力应力状态状态s1+0-0s2-s s3+-+-+-+-s smaxs s1-s s2+s s3-（s s2+s s3）-（s s1+s s2+s s3）-s s2+s s3第25页，共47页，编辑于2022年，星期五（1 1）内压操作的塔设备内压操作的塔设备 最大组合轴向拉应力，出现在最大组合轴向拉应力，出现在正常操作时的迎风侧，即：正常操作时的迎风侧，即：最大组合轴向压应力，出现在最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即：停修时的背风

17、侧，即：第26页，共47页，编辑于2022年，星期五（2 2）外压操作的塔设备外压操作的塔设备 最大组合轴向压应力，出现在最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即：正常操作时的背风侧，即：最大组合轴向拉应力，出现在最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：停修时的迎风侧，即：第27页，共47页，编辑于2022年，星期五2.2.强度与稳定性校核强度与稳定性校核 根据根据正常操作正常操作或或停车检修停车检修时的各种危险时的各种危险情况，求出最大组合轴向应力，必须情况，求出最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，表满足强度条件与稳定性条件，表12-12-1010。周向拉应力只进行

18、强度校核，因为不存在周向拉应力只进行强度校核，因为不存在稳定性问题。稳定性问题。轴向压应力既要满足强度要求，又必须轴向压应力既要满足强度要求，又必须满足稳定性要求，进行双重校核。满足稳定性要求，进行双重校核。第28页，共47页，编辑于2022年，星期五名名称称强度校强度校核核稳定性校核稳定性校核周向最大拉应周向最大拉应力力s smaxKs stf f 轴向最大压应轴向最大压应力力s smaxKs stK0.06Et ei/RiK为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K=1.2。表表12-10轴向最大应力的校核条件轴向最大应力的校核条件第29页，共47页，编辑于2022年，星期五3.3.水压试验时

19、应力校核水压试验时应力校核(1)(1)关于拉应力关于拉应力 环向拉应力的验算在第十五章环向拉应力的验算在第十五章 最大组合轴向拉应力最大组合轴向拉应力第30页，共47页，编辑于2022年，星期五(2)(2)设备充水（未加压）后最大质量和最大弯设备充水（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矩在壳体中引起的组合轴向压应力 K K为载荷组合系数，取为载荷组合系数，取K K=1.2=1.2。塔体，最大风弯矩引起的弯曲应力塔体，最大风弯矩引起的弯曲应力s s3 3i i-i i发生在截面发生在截面2-22-2上。上。裙座，裙座，s s3 3i i-i i的最大应力发生在裙座的最大应力

20、发生在裙座底截面底截面0-00-0或人孔截面或人孔截面1-11-1上。上。第31页，共47页，编辑于2022年，星期五二、二、裙座裙座按所支承设备按所支承设备的高度与直径的高度与直径比，裙座分成比，裙座分成两种：两种：一种是圆筒形，一种是圆筒形，一种是圆锥形。一种是圆锥形。第32页，共47页，编辑于2022年，星期五圆筒形裙座制造方便和节省材料，圆筒形裙座制造方便和节省材料，被广泛采用。被广泛采用。圆锥形裙座：地角螺栓较多和圆锥形裙座：地角螺栓较多和基础环承受面积较大，承受较基础环承受面积较大，承受较大风载荷和地震载荷。大风载荷和地震载荷。第33页，共47页，编辑于2022年，星期五裙座体裙座

21、体（Q235-AQ235-A或或16Mn16Mn）、）、基础环板、基础环板、螺栓座、螺栓座、基础螺栓基础螺栓,第34页，共47页，编辑于2022年，星期五第35页，共47页，编辑于2022年，星期五第36页，共47页，编辑于2022年，星期五(一一)圆筒形群座体壁厚的验算圆筒形群座体壁厚的验算先参照筒体厚度试取一群座体壁厚先参照筒体厚度试取一群座体壁厚s s验算危险截面的应力，群座体底截面验算危险截面的应力，群座体底截面和人孔截面和人孔截面组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整第37页，共47页，编辑于2022年，星期五(二二)基础环板设计基础环板设计1 1、基础

22、环板内、外径、基础环板内、外径2 2、基础环板厚度、基础环板厚度,背风侧外缘压应力大，组合轴向压应力背风侧外缘压应力大，组合轴向压应力第38页，共47页，编辑于2022年，星期五（1 1）基础环板上无筋板）基础环板上无筋板基础环板厚度不基础环板厚度不小于小于16mm16mm第39页，共47页，编辑于2022年，星期五基础环板厚度不基础环板厚度不小于小于16mm16mm（2 2）基础环板上有筋板）基础环板上有筋板第40页，共47页，编辑于2022年，星期五M Ms s计算力矩，按表计算力矩，按表4-354-35计算计算M Mx x和和M My y，取绝对值较大，取绝对值较大第41页，共47页，编

23、辑于2022年，星期五（三）地脚螺栓（三）地脚螺栓迎风侧可能出现零值甚至是拉应力迎风侧可能出现零值甚至是拉应力基础面上由螺栓承受的最大拉应力为基础面上由螺栓承受的最大拉应力为第42页，共47页，编辑于2022年，星期五B B00塔自身稳定，固定位置加螺栓塔自身稳定，固定位置加螺栓B B00，必须设地脚螺栓，螺纹小径，必须设地脚螺栓，螺纹小径地脚螺栓个数取地脚螺栓个数取4 4的倍数，小直径塔取的倍数，小直径塔取6 6个，圆整后地脚螺栓的公称直径不得小个，圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于于M24M24第43页，共47页，编辑于2022年，星期五（四）群座与塔底封头焊接结构（四）群座与塔底封头焊接结

24、构对接焊缝压应力，轴向载荷较高，一般用对接焊缝压应力，轴向载荷较高，一般用于大型塔，搭接焊缝受剪应力，一般用于于大型塔，搭接焊缝受剪应力，一般用于小型塔小型塔第44页，共47页，编辑于2022年，星期五1 1、群座体与塔体对接焊缝、群座体与塔体对接焊缝J-JJ-J截面的拉应力校核截面的拉应力校核第45页，共47页，编辑于2022年，星期五2 2、群座体与塔体搭接焊缝、群座体与塔体搭接焊缝J-JJ-J截面的剪应力校核截面的剪应力校核第46页，共47页，编辑于2022年，星期五思考题：思考题：1.1.自支撑式塔设备设计时需要考自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷？虑哪些载荷？2.2.简述内压塔操作时的危险工况及简述内压塔操作时的危险工况及强度校合条件。强度校合条件。第47页，共47页，编辑于2022年，星期五