塔式容器编制说明.docx
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塔式容器编制说明
塔式容器
目录
一塔式容器的现行标准、规范
二JB4710《塔式容器》修订内容简介
三JB4710《塔式容器》适用范围
四设计基础
五材料
六塔计算
七结构设计
八、塔的制造、检验与验收要求
九、横风向的风力和风弯矩计算
一、塔式容器的现行标准、规范:
.JB4710《钢制塔式容器》
.SH3098-2000《石油化工塔器设计规范》
.HG20592-1998《塔器设计技术规定》
.SH3088-1998《石油化工塔盘设计规范》
.SH3048-1999《石油化工钢制设备抗震设计规范》
.JB/T12050-2001《塔盘技术条件》
二、JB4710修订内容简介
.根据GB150修改了的相关内容
.根据GB50009-2001《建筑结构载荷规范》修改相关内容
.根据GB50011-2001《建筑抗震设计规范》修改相关内容
.增设了裙座隔气圈结构
.补充了有关分段交货的内容
.增加了横向风的风振计算
.取消高振型近似地震弯矩的计算
三、钢制塔式容器(JB4710)范围
3.1适用范围
1、规定了钢制塔式容器的设计、制造、检验与验收的要求
2、设计压力不大于35MPa,高度H>10m,且H/D>5的裙座自支承钢制塔式容器。
D:
平均直径=D1
3.2不适用范围
1带有拉牵装置的塔式容器
2由操作平台联成一体的排塔或塔群
从静力计算角度,塔是一细高的构筑物,除承受内(外)
压外,还承受风载荷、地震载荷以及质量载荷,因此高度
愈高,H/D愈大,其弯曲应力亦愈大;反之,对于低矮塔
或H/D较小的塔,尽管风载荷、地震载荷不见得小,但由
于低塔力臂较小,计算截面的弯矩相对较小,所以塔的弯曲应力不会太大,所以设计时塔的厚度通常不取决于侧向(风、地震)载荷,而可能取决压力载荷或最小厚度。
因此标准规定H>10m的使用范围。
至于在工程设计中遇到10m以下塔如何处理,我们推荐
方法如下:
1,按GB150,按内(外)压确定塔壳有效厚度、名义厚度
2,水平地震力计算,(近似按单质点考虑)
Pe=0.5αemog
设防烈度7度8度9度
αe地震影响系数0.230.450.9
3,水平风载荷
Pw=0.95fiDH.H×10-6
4,应力校核
风载荷和地震载荷是一种动载荷,即载荷大小、方向及作用点是随时间变化的,由于动载荷使塔器产生加速度并引起较大的惯性力,而使塔产生振动,在振动过程中,塔的位移和内力不仅与自身的几何尺寸有关,而且与塔的自身动力特性(即自振周期、振型,载荷的变化规律)相关。
自支承的塔,可将简化为一底部固定,顶端自由的悬臂梁,其振动型式为剪切振动、弯曲振动、或剪、弯联合作用的振动,究竟是那种振动型式,主要取决于塔的长细比(H/D);
当H/D≤5塔的振动以剪切振动为主
5 H/D>10弯曲振动为主 JB4710标准排除了H/D<5的剪切振动,同时忽略5 其理由: a、简化地震计算及自振周期计算,即一端自由一端固定的悬臂梁,做平面弯曲振动。 b、经振动的动力分析,由于有剪切变形,使构件刚度降低,自振周期偏大,所以在地震反应谱中的地震影响系数偏低,因此,水平地震力较低,但由于忽略了剪切变形的影响,计算时,自振周期比实际值小,从反应谱曲线T↓,α↑,F地↑,M地震弯矩较考虑剪切变形时要大,因此在工程设计设计上趋于保守,是安全可行的。 标准中地震载荷和风载荷计算公式,是以塔的地震载荷和风载荷作用下产生弯曲震动为主给出的,因此JB4710规定了H/D>5的使用范围。 四、设计基础 4.1定义 a、压力: 除注明外,均指表压力。 b、工作压力: 在正常工作时,容器顶部可能达到的压力。 c、设计压力: 设定的容器顶部的最高工作压力,与相应的设计温度一起作为设计载荷条件,其值不低于工作压力。 d、计算压力: 在相应的设计温度下,用以确定元件厚度的压力。 e、设计温度: 在正常工作情况下,设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。 4.2设计压力的确定 4.2.1JB4710规定,工作压力小于0.1MPa的内压容器,设计压力不小于0.1Mpa。 即无论工作压力大小均属于压力容器范畴,塔的设计、选材、制造与检验都必须遵守GB150的规定。 对于工作压力是常压,且是密闭不与大气相通的塔器,设计压力应0.1MPa,而直接与大气相通的常压塔器,设计压力取常压。 4.2.2GB150中3.5.1条,指出了在确定容器设计压力时,应考虑的问题。 4.2.3SH3074-95《石油化工钢制压力容器》和HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》对设计压力的确定作了详细的规定。 4.2.4当工程设计中另有规定时,其设计压力按有关规定执行。 4.2.5对于真空塔器,按承受外压设计,当装有安全泄放装置(真空泄放阀)。 设计压力取1.25倍的最大内、外压力差或0.1MPa两者中的较小值;当没有安全泄9放装置时取0.1MPa. 4.2.6法兰当量设计压力(或称法兰当量计算压力): 当塔体采用设备法兰连接时,法兰除承受内(外)压外,还承受塔自重,风载荷、地震载荷、偏心载荷或管道推力等引起的轴向力和力矩,所以应将法兰所承受的轴向力、力矩(弯矩)连同塔的内压力折合成一个当量设计压力,在选用标准设备法兰的压力等级或非标准法兰的设计压力时应不小于法兰当量设计压力。 M-外力矩(法兰面处的最大力矩) F-轴向外载荷(拉力) DG-垫片压紧力作用中心圆直径 P-设计内压力 4.3计算压力 在相应的设计温度下,用以确定元件厚度的压力,其中包括液柱静压力,当静压力小于5%设计压力时,可忽略不计。 4.4试验压力 系指在压力试验时,塔器顶部的压力。 卧置试压时,应加上液柱静压力。 同时应注意试验压力对管法兰压力等级的影响。 4.5设计温度 4.5.1塔的设计温度是指塔在正常工作情况下,设定元件的金属温度,设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。 图样或铭牌上标注的设计温度应是壳体设计温度的最高值或最低值。 4.5.2GB150规定了在确定容器及设计温度时应考虑的问题.。 如: 1)设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度; 2)0℃以下的金属温度,其设计温度不得高于金属可能达到的最低温度; 3)元件金属温度可以传热计算确定,或实测,或按内部介质温度确定。 4.5.3关于设计温度确定的细则,详见以下标准: SH3074-95《石油化工钢制压力容器》 HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》 SH3098-2000《石油化工塔器设计规范》 4.5.4对于带保温(冷)的塔器的设计温度,SH3098规定如下,参见下表: 塔器设计温度(不包括裙座) 最高(或最低)工作温度 设计温度 炼油 石油化工 T0≤-20 介质工作温度0~10℃或最低工作温度 -20 T=T0-5(但最低应高于-20℃ 介质正常操作温度减5~10℃或取最低介质温度 15 T=T0+20 介质正常操作温度加5~10℃或取最高介质温度 T0>350 T=T0+(15~5) 4.5.5工程设计中另有规定时,其设计温度按工程规定。 4.5.6裙座和地脚螺栓的设计温度 a、JB4710-2005版规定,裙座壳和地脚螺栓的设计温度应取使用地区月平均最低气温的最低值加10℃. b、SH3098对裙座壳的设计温度的规定见下表 裙座设计温度 有过渡段的裙座 无过渡段的裙座 裙座过渡段 裙座本体 T>-20或T≤200℃ 200℃ 取塔或塔釜的设计温度 取建塔地区的环境温度 取建塔地区的环境温度 设计温度取塔或塔釜设计温度 环境温度: 取GBJ19-88《采暖通风与空气调节设计温度》中的冬季空气调节室外计算温度。 表中T为塔或塔釜设计温度℃。 裙座作为塔器的一个重要支承元件。 据GB150的规定,容器各部分工作状态下的金属温度不同时,可分别设定各部分的设计温度,而裙座直接与压力容器(塔)焊成一体。 裙座的工作温度不仅要考虑环境温度的影响(特别是高温或低温塔器),而且还应注意塔釜设计温度的影响,否则会由于设计温度确定不当,造成选材不合理。 因此SH3098考虑到裙座上、下部分既受塔釜温度的影响,又受环境温度的影响,对裙座设计温度作较为详细的规定。 4.6载荷 设计时应考虑的载荷 a)压力载荷-设计压力,液柱静压力,试验压力 b)重力载荷-塔器自重(含内件、填料),物料重,压力试验的液体质量、附属设备及保温、管道、操作台等。 c)偏心载荷 d)动载荷: 风载荷和地震载荷。 需要时,还应考虑的载荷 e)连接管道和其它部件引起的作用力 f)温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力 g)包括压力急剧波动的冲击载荷 h)冲击反力,入流体冲击引起的反力等 i)运输、吊装的作用力 4.7厚度及厚度的附加量 4.7.1塔壳加工成形后的最小厚度: 为不包括腐蚀裕量的最小厚度。 a)碳钢、低合金钢塔器为2/1000Di,且不小于4mm. b)高合金钢制塔器不小于3mm. c)在满足a、b的前提下,为保证塔器在制造、运输、安装、吊装时的刚度,设计,制造、安装单位应就具体情况确定,是否采用临时加固措施。 d)复合钢板复层的最小厚度应满足以下要求 ·为保证工作介质干净(不被铁离子污染)采用的复 合板其复层公称厚度不小于2mm. ·为防腐采用的复合钢板其复层不小于3mm e)不锈钢堆焊层在加工厚的最小厚度为3mm. f)塔盘最小厚度: 详见SH3098第2.5.5节或SH3088《石油化工塔盘设计规范》。 4.7.2裙座壳的名义厚度不得小于6mm(JB4710-92版为有效厚度不小于6mm) 4.7.3在GB150、塔器JB4710的标准中规定,壳体的实际厚度(成形后的厚度)均不得小于名义厚度减去钢板厚度负偏差。 4.7.4厚度负偏差C1 a)当钢材厚度负偏差不大于0.25mm且不超过名义厚度的6%时,负偏差可忽略不计。 GB6654、GB3531由于C1全部为0.25mm,故可不计C1. b)SH3098为便于设计人员查找方便,列出了常用钢板、钢管的厚度负偏差的表格。 4.7.5腐蚀裕量C2 a)腐蚀裕量: 腐蚀裕量应根据金属材料在介质中的腐蚀速率和塔器 的设计寿命确定 C2=NF.dc2 NF-设计寿命对炼油和石油化工类一般取15~20年 dc2-年腐蚀速率 b)塔器主要元件的腐蚀裕量的选取可参见下表 元件类型 腐蚀裕量的选取 筒体 和 封头 介质为压缩空气、水蒸汽或水时,碳钢或低合金钢制元件C2不小于1mm;其它情况,按以下规定选取腐蚀裕量C2 炼油类 腐蚀速率(mm/年) <0.1 >0.1~0.2 >0.2~0.3 C2 2 4 6 石油化工类 腐蚀程度 不腐蚀 轻微腐蚀 腐蚀 重腐蚀 腐蚀速率(mm/年) <0.05 0.05~0.13 >0.13~0.25 >0.25 C2 0 1~2 2~3 3~6 注: 1)腐蚀裕量不宜大于6mm,否则应更换成耐腐蚀材料或采取其它防腐措施: 2)腐蚀速率可根据工程设计实践或查取有关腐蚀手册确定。 接管 包括(人、手孔等) 除工程设计另有规定外,应取筒体的腐蚀裕量 塔内件 (不包括塔盘) 不可拆卸或无法从人孔取出的内件 受力 取筒体腐蚀裕量 不受力 取筒体腐蚀裕量的1/2 可拆卸并可从人孔取出的内件 受力 取筒体腐蚀裕量的1/4 不受力 0 不同部位的元件 当塔内个部分介质腐蚀速率不同时,不同部位的元件可取不同的腐蚀裕量 裙座筒体 对碳钢、低合金钢取不小于2mm 地脚螺栓 不小于3mm 基础环、筋板、盖板 2 塔盘(含塔板、 支承件等) 可拆卸 ≥2(双面) 不可拆卸 ≥3(双面) 注: 两侧同时与介质接触的元件应根据两侧不同的工 作介质选取不同的腐蚀裕量,两者叠加作为总的腐蚀裕量。 c)当实际工程设计中另有规定或实际使用经验时,可根据具体的工程规定或经验确定腐蚀裕量C2. 4.8许用应力 4.8.1受压元件用钢和螺栓材料的许用应力按GB150选取。 4.8.2塔器设计温度低于20℃时,应取20℃的许用应力。 4.8.3不锈钢复合钢板的许用应力; JB4710新版规定,对于复层与基层结合率达到JB4733标准中的B2级以上的复合钢板,在设计计算中,如需计入复层材料的强度时,其设计温度下的许用应力可按下式: 4.8.4非受压元件材料的许用应力,除裙座壳、地脚螺栓座和地脚螺栓材料的许用应力另有规定外,其余可按现行的《钢结构设计规范》GBJ17的规定选取。 4.8.5对于塔整体按常规设计,局部元件进行应力分析的设备,其局部应力分析处元件的许用应力应按常规设计标准选取。 4.9焊接接头系数 4.9.1按GB150和GB4710的规定 4.9.2在计算壳体壁厚时(内压引起的),所用的焊接接头系数为纵向焊接接头系数,在塔壳组合应力校核时,(内压、风、地)所用的是环向焊接接头系数。 4.10压力试验 4.10.1压力试验的目的是在超工作压力条件下验证设备整体的强度,以及焊缝的致密性及密封结构的严密性。 试验压力取值按GB150的规定,塔器的液压试验允许采用立试和卧试。 卧试时应加上液柱静压力。 4.11气密性试验 4.11.1气密性试验的目的是检查密封面的严密性及焊缝的致密性。 4.11.2GB150规定,盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器须进行气密性试验。 《容规》规定,介质毒性程度为极度、高度危害或设上不允许有微量泄漏的压力容器,必须进行气密性试验。 五、材料 5.1受压元件的材料选用原则按GB150的规定。 5.2受压元件材料的选用细则,可参考以下标准: SH3074《石油化工钢制压力容器》 SH3075《石油化工钢制压力容器材料选用标准》 S/T3096-2001《加工高硫原油重点装置主要设备选材导则》 HG20581-1998《钢制化工容器材料选用规定》 5.3非受压元件 5.3.1GB150规定与受压元件相焊的非受压元件应是焊接性能良好的钢材。 因此与塔的受压元件相焊的非受压元件用钢,除能满足操作条件(物料、载荷等)要求外,应是可焊性能良好的,且不会导致受压元件性能改变的钢材。 如CrMo钢、低合金钢、不锈钢制塔器中的非受压元件(如塔内支承板、支架、裙座材料、塔外部连接件的垫板等)的选材,应与塔体材料一致。 5.4裙座壳的材料 5.4.1JB4710规定,裙座壳用材按受压元件用钢要求选取。 其理由裙座是塔器非常重要的支承元件,裙座的失稳或损坏直接影响塔器的正常使用,而且裙座材料用量不大,提高它的用材要求经济上不会造成太大的浪费。 作为设计标准整个裙座按受压元件选材不尽合理。 裙座不承受压力载荷,也不与工作介质直接接触,应属于非受压元件,但是它的失效,不仅影响塔或整个工艺系统的正常运行,而且还可能造成极大的危害(破坏)或者是二次危害,因此,它是一个非常重要的非受压元件(受力元件)。 日本JPI-7R-35《带裙座塔器的强度计算》标准中指出,“对于裙座材料采用区分受压元件和支承构件的方法处理选材,即把直接焊接在塔器(塔)受压部分的部分作为受压元件,除此之外的作为支承构件”。 具体地说,受压元件是指裙座最上面的一段(也就是过渡段),除上面部分之外的裙座壳,地脚螺栓座,基础环等作为支承件。 美国ASME(导则)指出“非受压元件用材(如裙座、支座,吊耳、折流板、内件等)不必限于与其连接的受压元件材料以及本标准所用的材料标准,但与受压元件直接焊接者,应具有可焊性”。 因此根据JB4710的原则及国内塔的裙座设计的多年实践或经验,并参照了国内的标准规范SH3098及HG20652,对裙座的选材作了较为详细的规定。 如下: 5.4.2裙座选材原则如下 a、裙座与塔体受压元件(塔封头等)相焊后对受压元件材料性能的影响。 b、考虑塔釜操作温度。 c、考虑建塔地区环境温度的影响。 d、安全、经济合理。 5.4.3一般情况,裙座壳体采用同一种材料,当满足下列条件之一者,应采用带有过渡段的裙座,过渡段的材料与塔(封头)材料一致。 1)塔(或塔釜)设计温度T≤-20℃或T>350℃. 2)裙座壳体与塔下封头相焊,将影响封头材料性能时(如: 塔、封头、材料为低温用钢、不锈钢、铬钼钢等) a、对于1)条: 当T≤-20℃,塔釜材料一般采用低温钢,如果裙座壳采用碳钢(如Q235-A)与封头相焊,其焊接接头及裙座壳上部达到或接近低温状态,裙座壳体的韧性将会降低,同时此处受力状态本来就比较复杂(结构不连续应力、热应力、局部应力等)和恶劣,属于高应力区,加之碳钢材料的韧性下降,将会使此处的焊接接头处及周围区域工况更加不利。 GB150附录C规定“承受较大的载荷,需作强度计算的非受压元件用钢,应具有受压元件相等的韧性”。 因此规定当塔釜设计温度T≤-20℃时,采用与塔封头材料相同的过渡段. b、塔釜设计温度T>350℃时,靠近塔釜的裙座上部温度将远高于环境温度,若将环境温度作为裙座设计温度,显然不合适,但是如果以塔釜设计温度作为裙座设计温度来确定裙座壳将很厚。 如果整体采用厚的裙座壳体,将很不经济,所以需采用过渡段。 c、塔的下封头为铬钼钢(抗氢钢、耐热钢),裙座壳体为碳钢时,二者相焊可能改变铬钼钢的金相组织和性能,以及焊接接头质量,因为铬钼钢材料对焊接裂纹很敏感,对其化学成分、微量元素(S、P、Sn、AL等)都有严格要求,故采用过渡段 d、封头为不锈钢时,若用碳钢裙座与不锈钢塔体(封头)相焊将可能改变不锈钢奥氏体组织。 焊接时,由于C的稀释,有可能产生碳化铬(由于C与Cr的亲和力强),而造成贫铬,影响不锈钢的抗晶间腐蚀性能,同时焊接接头有可能有马氏体存在,变硬,变脆。 5.4.4SH3098规定,对于高度低于2.5m的裙座,这是因为尽管符合上述设过渡段的条件,但由于塔裙座较低,设过渡段的意义不大,但裙座壳材料与塔(封头)材料必须一致或相近。 5.4.5过渡段长度一般不小于300mm,但当T≤-20℃或T>350℃时,取4~6倍保温层厚度,且不小于500mm. 5.4.6推荐的裙座壳体材料 1)裙座本体材料 裙座设计温度T℃ 裙座本体材料 钢板标准 钢材标准 ≥0~350 Q235-C GB3274 GB700 ≥-20~0 Q235-D、Q345-D GB3274 GB700、GB/T1591 <-20 Q345-E(16Mn) GB3274 GB/T1591 注: 裙座设计温度T,见前面4.5.6表 对于符合设置过渡段条件,但高度小于2.5米的裙座,裙座本体材料应与塔体(或封头)材料相同或相近。 2)过渡段材料应与塔体(或封头)材料相同或相近。 5.4.7当裙座本体(包括无过渡段和有过渡段的裙座本体)材料采用Q235-D、Q345-D、Q345-E时,其材料质量证明书中应具有低温冲击试验的保证值。 如下表(或者在图样技术条件要求中提出): 钢材 标准 钢号 夏比(V型缺口)的冲击试验温度(℃) 三个试样冲击功的平均值AKV(J) 10×10×55(纵向) GB700 Q235-D -20 27J GB/T1591 Q345-D -20 34J GB/T1591 Q345-E(16Mn) -40 27J 5.4.8裙座壳体的许用应力 a、裙座壳体材料(包括本体或过渡段)与塔釜材料相同时,其许用应力与塔釜材料的许用应力相同. b、当裙座本体(包括无过渡段和有过渡段的裙座)设计温度等于或低于200℃时,材料的许用应力按下表: 钢号 厚度mm 许用应力MPa Q235-A~D δ≤40 140 Q345-D、E δ≤16 190 Q345-D、E 16<δ<50 175 5.4.9地脚螺栓座(基础环板、盖板、筋板)的材料应是碳钢或低合金钢, 其许用应力如下。 1)碳钢的基础环板、盖板、筋板材料的许用应力为147Mpa; 2)低合金钢的基础环板、盖板、筋板材料的许用应力为170Mpa 5.5地脚螺栓材料及其许用应力 环境温度℃ 地脚螺栓材料 许用应力MPa >-20 Q235-A 147 ≤-20 Q345-E(16Mn) 170 六塔计算 6.1塔体的强度计算和稳定校核内容 1)按设计压力、设计温度确定塔体圆筒及封头有效厚度; 2)塔的自振周期计算 3)风载荷、地震载荷计算及强度、稳定性校核; 必要时,要进行以下计算: 4)计算由管道推力、悬挂重物或吊装用吊耳在塔体上引起的局部应力; 5)塔筒节采用法兰连接时的法兰当量压力的计算; 6)塔内件的强度计算。 6.2塔的自振周期与振型 塔设备除承受静载荷(压力、温度、重量和偏心载荷等)外,还承受动载荷,即风载荷和地震载荷。 风载荷和地震载荷使塔体产生加速度并引起惯性力,由于惯性力的作用使塔体产生随时间变化的变形、位移和内力,并使塔体沿载荷方向振动,塔的各截面的位移、内力与结构的自振周期(自振频率)、振动类型等有关。 因此,自振特性(自振周期、振型和阻尼)对塔器作动力计算是必不可少的条件,当塔器作风载荷、地震载荷计算时必须事先求出它的自振周期。 从结构动力学角度,理论上塔器属于无限自由度体系;等直径、等壁厚塔是无限自由度的弹性连续体,而对于不等直径、不等壁厚塔,为便于计算将其简化为多自由度体系,一般来说,塔有多少个自由度就有多少个自振周期和振型,自振周期由低向高排列,最低的自振周期称为基本振型自振周期(第一振型自振周期),依此为第二振型自振周期、第三振型自振周期、……。 除第一自振周期外,均为高振型周期,每个周期,对应着一个振型。 振型就是塔的各质点在振动瞬间的位移,将塔的各质点位移连接起来形成一定形状的曲线,见下图。 基本振型第二振型第三振型 等直径、等壁厚塔的基本振型周期是将其作为弹性连续体通过解析法求得的;而不等直径、不等壁厚塔的基本振型周期是将无限自由度体系简化为多自由度体系,通过折算质量法求得的。 (但是在计算水平风力及地震地震力时,等截面塔和不等截面塔均按化为多自由度体系(多质点)进行分析的)。 第二振型和第三振型的自振周期可分别近似取T2= T1、T3= T1。 不等直径、不等壁厚塔的高振型自振周期按JB4710附录B计算。 自振周期与质量和H/D成正比,与壁厚成反比。 6.3地震载荷 6.3.1JB4710设防烈度在7度及7度以上,应进行塔的抗震设计计算。 这里应注意: 烈度----是指某一地区各类建筑群宏观破坏程度,我国地震烈度表将烈度分为12度;一次地震不同地区可有不同烈度。 基本烈度------是指在一定期限内,一个地区可能普
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