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吸收塔计算

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

JB4710-92“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

地名

采暖

冬季

通风

冬季空气调节

地名

采暖

冬季

通风

冬季空气调节

北京

-9

-5

-12

徐州

-6

0

-9

上海

-2

3

-4

南京

-3

2

-6

天津

-9

-4

-11

蚌埠

-5

1

-8

齐齐哈尔

-25

-19

（-20＊）

-29

合肥

-3

2

-7

哈尔滨

-26

-20

-29

南昌

-1

（0＊）

5

-3

长春

-23

-17

-26

赣州

2

8

0

吉林

-25

-18

-28

福州

5

10

4

沈阳

-20

-13

-23

郑州

-5

0

-8

大连

-12

-5

-14

信阳

-4

2

-7

乌鲁木齐

-23

-15

-27

武汉

-2

3

-5

西宁

-13

-9

-15

长沙

-1

5

-3

兰州

-11

-7

-13

成都

2

6

1

天水

-7

-3

-10

贵阳

-1

5

-3

济南

-7

-1

-10

昆明

3

（4＊）

8

1

青岛

-7

-3

-9

拉萨

-6

2

-8

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。

⒉采暖室外计算温度为历年平均不保证5天的日平均温度。

⒊冬季通风室外计算温度为累年最冷月（一月）的平均温度。

⒋冬季空气调节室外计算温度为历年平均不保证一天的日平均温度。

⑵裙座壳体用钢按受压元件用钢要求选取。

⑶非受压元件用钢必须是已列入材料标准的钢材，用于焊接件的钢材，应具有良好的焊接性能。

⑷地脚螺栓一般选用Q235-A或16Mn。

Q235-A材料的许用应力取［σ］bt=147MPa。

16Mn材料的许用应力取［σ］bt=170MPa。

如采用其它碳素钢或优质碳素结构钢作地脚螺栓，则取安全系数ns≥1.6。

⑸以碳素钢制作的基础环、盖板及筋板，其许用应力取[σ]b=140MPa。

3.1.3.5　应力评定

在强度计算中，根据载荷的类型可分为长期载荷和短期载荷。

其产生的应力评定尺度是不同的。

具体评定值详见表3-2应力评定表。

3.1.4　强度及稳定性计算

3.1.4.1　强度及稳定性计算所用符号说明

Di棗塔壳内径，mm；

Dib棗基础环内径，mm；

Dih棗锥壳任意截面内径，mm；

D0棗塔壳外径，mm；

D0b棗基础环外直径，mm；

D0s棗裙座壳底部外直径，mm；

表3-2应力评定表

状态

载荷组合

评定值

备注

正常操作

⒈设计压力、塔设备重力载荷、塔内液柱压力

拉应力：

［σ］tφ

压应力：

［σ］cr

[σcr=min（B，［σ］t）]

［σ］t：

设计温度下的许用应力

［σ］cr设计温度下的许用压应力

φ：

焊缝系数

σs：

常温下的屈服点

⒉上述第1条加风载荷或地震载荷

拉应力：

1.2［σ］tφ

压应力：

1.2［σ］cr

试压

⒈试验压力、塔设备重力载荷、试验介质产生的侧压

拉应力：

周向：

液压0.9σsφ

轴向或周向：

气压0.8σsφ

压应力：

［σ］cr

⒉上述第1条加30％风载荷

拉应力：

液压：

0.9x1.2σsφ

气压：

0.8x1.2σsφ

压应力：

1.2［σ］cr

E棗设计温度下材料的弹性模量，MPa；

FvI-I棗塔设备任意计算截面I－I处的垂直地震力，N；

Fv0-0棗塔设备底截面处垂直地震力，N；

g棗重力加速度，取g＝9.81m/s2；

H棗塔设备高度，mm；

Hi棗塔设备顶部至第i段底截面的距离（见图3-1），mm；

h棗计算截面距地面高度（见图3-1），mm；

hi棗塔设备第i段集中质量距地面的高度（见图3-1），mm；

hk棗任意计算截面I－I以上集中质量mk距地面的高度（见图3-1），mm；

Me棗偏心质量引起的弯矩，N.mm；

MEI-I棗任意计算截面I－I处的地震弯矩，N.mm；

ME0-0棗底部截面0－0处的地震弯矩，N.mm；

MmaxI-I棗任意计算截面I－I处的最大弯矩，N.mm；

Mmax0－0棗底部截面0－0处的最大弯矩，N.mm；

MWI-I棗任意计算截面I－I处的风弯矩，N.mm；

MW0-0棗底部截面0－0处的风弯矩，N.mm；

me棗偏心质量，kg；

mi棗塔设备第i段的操作质量，kg；

mmax棗塔设备最大质量，kg；

mmin棗塔设备最小质量，kg；

m0棗塔设备操作质量，kg；

m0I-I棗计算截面I－I以上的操作质量，kg；

p棗设计压力，MPa；

T1棗塔设备基本自振周期，s；

Ti棗塔设备第i阶振型自振周期，s；

β棗锥壳半顶角，（°）；

δb棗基础环计算厚度，mm；

δe棗圆筒或锥壳的有效厚度，mm；

δeh棗封头设定的有效厚度，mm；

δei棗各计算截面设定的圆筒或锥壳有效厚度，mm；

δes棗裙座壳设定的有效厚度，mm；

σs棗常温下塔壳或裙座壳材料的屈服点，MPa；

棗设计温度下塔壳材料的许用应力，MPa；

棗设计温度下裙座壳材料的许用应力，MPa；

棗设计温度下塔壳或裙座壳材料的许用轴向压应力，MPa；

φ棗焊缝系数；

B棗系数，MPa，按如下步骤确定：

先计算系数

式中Ri棗圆筒的内半径，mm。

再由系数A根据材料牌号确定B值，若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下材料线相交（中间温度用内插法）。

再过此交点水平右移，即得到B值；若系数A落在设计温度线左方，则按下式计算B值：

式中E棗设计温度下材料的弹性模量，MPa。

3.1.4.2　计算步骤

⑴按压力确定圆筒及封头的有效厚度δe及δeh。

⑵根据地震或风载的需要，选取若干计算截面（包括所有危险截面），并考虑制造、运输、安装要求，设定各截面处圆筒的有效厚度与裙座有效厚度。

⑶按3.1.4.3中的规定依次进行校核和计算，并满足各相应要求，否则应重新设定圆筒的有效厚度，直至满足全部校核条件为止。

3.1.4.3　强度及稳定性计算

⑴塔上主要载荷

塔上主要载荷见图3-1所示。

⑵塔设备质量

塔设备操作质量m0

m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me

塔设备最大质量mmax

mmax=m01+m02+m03+m04+ma+mw+me

塔设备最小质量mmin

mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me

式中　m01棗塔壳和裙座质量，kg；

m02棗内件质量，kg；

m03棗保温材料质量，kg；

m04棗平台、梯子质量，kg；　

m05棗操作状态下塔内物料质量，kg；　

ma棗人孔、接管及法兰等附件质量，kg；

mw棗液压试验时，塔设备内充液质量，kg。

最小质量算式中0.2m02系考虑内件焊在壳上的部分质量；另外应根据吊装方案或实际情况调整其最小质量。

⑶自振周期

在地震及风载荷计算中，均要求引用塔设备的基本参数棗自振周期。

等径、等厚度塔设备的基本自振周期按下式计算：

对于不等径或不等厚度塔设备，可将直径、厚度沿塔高度变化的塔设备视为一个多质点体系，如图3-2所示。

其中直径和厚度不变的每段塔设备质量，可处理为一个作用在该段高度1/2处的集中质量，其自振周期按下式计算：

，s（3-1）

式中　Ei、Ei-1棗第i段、第i－1段的材料在设计温度下的弹性模量，MPa；

Ii、Ii-1棗第i段、第i－1段的截面惯性矩，mm4；

圆筒段：

（3-2）

圆锥段：

（3-3）

式中　Die棗大端内径，mm；

Dif棗小端内径，mm。

⑷地震载荷计算

①水平地震力。

在任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型地震水平力按下式计算：

Fkl＝Czα1ηklmkg　　　（3-4）

式中Fkl棗集中质量mk引起的基本振型水平地震力，N；

Cz棗综合影响系数，Cz＝0.5；

mk棗距地面hk处的集中质量（见图3-3），kg;

α1棗对应于塔器基本自振周期T1下的地震影响系数α值；α1值可查图3-4得到，图中曲线部分可按下列公式计算：

α＝（Tg/T）0.9αmax　（3-5）

α值不得小于0.2αmax；

αmax棗地震影响系数的最大值，见表3-3；

ηkl棗基本振型参与系数；

Tg棗各类场地土的特征周期，见表3-4

表3-4　场地土的特征周期Tg

场地土

近震

远震

场地土

近震

远震

Ⅰ

0.2

0.25

Ⅲ

0.4

0.55

Ⅱ

0.3

0.40

Ⅳ

0.65

0.85

注：

场地土分类及近震、远震JB4710附录B

②地震垂直力。

设防裂度8度或9度区的塔设备应考虑上下两个方向的垂直地震力作用。

如图3-5所示。

塔设备底截面处的垂直地震力为：

FV0-0＝0.4875αmax*m0*g（3-7）

任意质量mi处垂直地震力按下式计算：

（3-8）

③地震弯矩。

塔设备任意计算截面I－I的基本振型地震弯矩按下式计算：

（3-9）

式中　ME1棗I－I处的地震弯矩，N

mm

对于等径、等壁厚塔任意截面I－I和底截面的基本振型弯矩分别为：

（3-11）

（10）

　　（3-11）

当塔设备H/D＞15，或高度大于20m时，还应考虑高振型的影响；其地震弯矩按JB4710附录Ａ计算。

也可按下式计算：

　　　（3-12）

⑸风载荷

对室外安装的塔设备，要承受风载荷（属于短期载荷），当塔设备的高度与直径之比大于５，或高度大于10m时，在其强度和稳定的计算中应考虑风载荷。

计算风载荷时，塔设备应按图3-6所示分段进行，每段内的风压值认为是等值，整塔的风载则呈阶梯形分布。

①水平风力。

第i计算段质量重心处的水平风力为：

Pi=K1K2iq0filiDei×10-6（3-13）

式中Pi棗第i段质量重心处的水平风力，N；

Dei棗第i段的有效直径，mm；

当笼式扶梯与塔顶管布置成180°时：

Dei=Doi＋2δsi＋K3＋K4＋do＋2δps（3-14）

当笼式扶梯与塔顶管布置成90°时，取下列两式中大值：

Dei=Doi＋2δsi＋K3＋K4（3-15）

Dei=Doi＋2δsi＋K4＋do＋2δps（3-16）

式中　Doi棗各计算段处的外径，mm；

do棗塔顶管线外径，mm；

δsi棗塔设备第i段保温层厚度，mm；

δps棗塔顶管线保温层厚度，mm；

K3棗笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mm；

K4棗操作平台当量宽度，mm；

∑A棗第i段内平台构件的投影面积（不计空档投影面积），mm2；

l0棗操作平台所在计算段的长度，mm；

fi棗风压高度变化系数，查表3-5；

K1棗体型系数，取K1=0.7;

表3-5风压高度变化系数fi

地面粗造度类别

距地面高度Hit

A

B

C

地面粗造度类别

距地面高度Hit

A

B

C

5

1.17

0.80

0.54

50

2.03

1.67

1.36

10

1.38

1.00

0.71

60

2.12

1.77

1.46

15

1.52

1.14

0.84

70

2.20

1.86

1.55

20

1.63

1.25

0.94

80

2.27

1.95

1.64

30

1.80

1.42

1.11

90

2.34

2.02

1.72

40

1.92

1.56

1.24

100

2.40

2.09

1.79

注：

⒈A类地面粗糙度系指近海海面、海岛、湖岸及沙漠地区；B类系指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；C类系指有密集建筑群的大城市市区。

⒉Hit为塔设备第i段顶截面距地面的高度,m。

⒊若采用当地气象部门资料时，对A类地区高度变化系数fi应取B类地区系数；B类和C类地区不变。

K2i棗第i段风振系数,当塔高H≤20m时，取K2i=1.70，当H＞20m时，按下式计算：

式中　ξ棗脉动增大系数，按表3-6查取；

i棗第i段脉动影响系数，按表3-7查取；

φzi棗第i段振型系数，根据hit/H与u查表3-8；

q0棗基本风压值，详见表3-9“全国部分城市基本风压表”或按当地气象资料，但不得小于250N/m2。

表3-6　脉动增大系数ξ

q1T12（Ns2/m2）

10

20

40

60

80

100

ξ

1.47

1.57

1.69

1.77

1.83

1.88

q1T12（Ns2/m2）

200

400

600

800

1000

2000

ξ

2.04

2.24

2.36

2.46

2.53

2.80

q1T12（Ns2/m2）

4000

6000

8000

10000

20000

30000

ξ

3.09

3.28

3.42

3.54

3.91

4.14

注：

计算q1T12时，对B类q1＝q0，对A类q1＝1.38q0，对C类q1＝0.71q0。

表3-7脉动影响系数

i

高度hitm

粗造度类别

10

20

40

60

80

100

A

0.78

0.83

0.87

0.89

0.89

0.89

B

0.72

0.79

0.85

0.88

0.89

0.90

C

0.66

0.74

0.82

0.86

0.88

0.89

表3-8振型系数φzi

　　u　　

相对高度hit/H

1

0.8

0.6

u　

相对高度hit/H

1

0.8

0.6

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.02

0.07

0.15

0.24

0.35

0.02

0.06

0.12

0.21

0.32

0.01

0.05

0.11

0.19

0.29

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.48

0.60

0.73

0.87

1.00

0.44

0.57

0.71

0.86

1.00

0.41

0.55

0.69

0.85

1.00

表3-9全国部分城市基本风压表N/m2

城市名称

风压值

城市名称

风压值

城市名称

风压值

城市名称

风压值

北京

350

运城

400

青岛

550

桂林

350

天津

400

呼和浩特

500

烟台

550

百色

400

上海

550

包头

600

潍坊

400

海口

700

重庆

300

满洲里

700

德州

450

三亚

700

哈尔滨

450

南京

350

郑州

400

成都

250

齐齐哈尔

450

镇江

350

安阳

350

泸州

300

佳木斯

550

苏州

400

洛阳

350

广元

350

牡丹江

450

连云港

400

许昌

400

西昌

400

吉林

450

南通

400

三门峡

350

贵阳

300

长春

550

杭州

400

南阳

350

遵义

300

四平

550

宁波

500

武汉

300

昆明

250

延吉

500

嵊泗

1100

襄樊

300

丽江

300

沈阳

500

衢州

400

黄石

300

大理

600

大连

600

温州

550

长沙

350

西安

350

抚顺

450

合肥

300

岳阳

400

宝鸡

300

鞍山

450

淮南

300

湘潭

350

榆林

500

本溪

400

蚌埠

350

衡阳

350

汉中

350

阜新

550

马鞍山

400

常德

350

兰州

300

锦州

550

安庆

350

广州

450

嘉峪关

650

营口

550

福州

600

汕头

750

敦煌

400

石家庄

300

厦门

750

韶关

350

西宁

350

张家口

450

漳州

500

深圳

700

格尔木

550

承德

350

泉州

600

茂名

600

银川

650

保定

400

南昌

400

湛江

700

乌鲁木齐

600

沧州

400

景德镇

300

肇庆

450

克拉玛依

800

邯郸

350

赣州

300

南宁

350

喀什

650

太原

300

九江

350

北海

700

香港

700

大同

400

济南

350

钦州

600

澳门

700

注：

本表摘自JB7410－92《钢制塔式容器》全国基本风压分布图，如需表中未列地区的基本风压值请查该图。

②风弯矩。

塔设备任意截面I－I处的弯矩为：

…　　　　　（3-17）

底截面0－0处的风弯矩为：

…　　　　　　　（3-18）

⑹偏心弯矩

偏心质量引起的偏心弯矩按下式计算：

　　　　　　　　　Me=mege　　　　　　（3-19）

式中　e棗偏心质量质心距塔设备中心线的距离，m。

⑺最大弯矩

塔设备任意截面I－I处的最大弯矩按下式计算

　　　取其中较大值　　（3-20）

塔设备底截面0－0处的最大弯矩为：

　　　取其中较大值　　（3-21）

⑻塔设备圆筒体轴向应力校核

1.圆筒体任意计算截面I－I的几项应力

内压或外压引起的轴向应力

　　　　　　　　　　　　　　　　（3-22）

塔设备质量及垂直地震力引起的轴向应力

（3-23）

弯矩引起的轴向应力

（3-24）

2.塔设备筒体最大组合压应力按下式进行轴向稳定性校核

对内压塔设备σ2＋σ3≤1.2［σcr］　（3-25）

对外压塔设备σ1＋σ2＋σ3≤1.2［σcr］　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-26）

式中许用应力

取其中较小值（3-27）

3.塔设备轴向拉应力校核

对内压塔设备σ1－σ2＋σ3≤1.2[σ]tφ（3-28）

对外压塔设备－σ2＋σ3≤1.2[σ]tφ（3-29）

若校核计算不满足上述几式，则应重新设定有效厚度δei；重复本节的计算，直至满足要求为止。

⑼塔体锥壳轴向应力

若塔体计算段为锥壳，其各应力分量应除以cosβ，β为半锥角，见图3-7所示。

锥壳最大组合压应力按公式（3-25）和公式（3-26）计算及评定；锥壳最大组合拉应力按公式（3-28）和（3-29）计算及评定。

轴向许用压应力

，取其中较小值

求B值时，半径Ri应为锥壳小端半径ri，见图3-7所示。

轴向许用拉应力同圆筒的轴向许用拉应力。

⑽裙座轴向应力校核

1.在裙座底截面处的组合应力校核

，取小值（3-30）

2.液压试验时组合应力校核

，取小值（3-31）

公式（3-30）中，Fv仅在

为地震弯矩时计入。

上两式中　Asb棗裙座底截面面积，mm2；

　　　　　　　　Asb=πDisδes　　　（3-32）

Zsb棗裙座底截面的截面系数，mm3；

Zsb=πD2isδes/（4cosβ）　　（3-33）

Dis棗裙座壳底部内径，mm。

3.裙座检查孔或较大管线引出孔处截面h-h（见图3-6，图3-8）组合应力校核

，取小值　　　　　（3-34）

，取小值　　（3-35）

上两式中　Asm棗h-h截面处的裙座截面积，mm２；

　　　　　　　　　　（3-36）

　　　　　Zsm棗h-h截面处的裙座截面系数，mm３；

（3-37）

（3-38）

bm棗h-h截面处水平方向的最大宽度，mm；

Dim棗h-h截面处裙座壳的内径，mm；

棗h-h截面处的垂直地震力。

但仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项，N；

lm棗检查孔或较大管线引出孔加强管长

度，m；

棗h-h截面处的最大弯矩，N

mm；

棗h-h截面处的风弯矩，N

mm；

棗h-h截面以上塔设备压力试验时的质量，kg；

棗h-h截面以上塔设备的操作质量，kg；

δm棗h-h截面处加强管厚度（见图3-8），mm。

如计算结果不满足上述条件时，须重新设定裙座壳有效厚度δes，重复上述计算，直至满足要求。

4.裙座壳体腐蚀