1、1,第五章 储存设备(8学时),第六章 换热设备(8学时),第七章 塔设备(8学时),第八章 反应设备(6学时),2,第七章 塔设备,3,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,7.4.1 除沫器(P338),分类丝网除沫器、折流板除沫器、旋流板除沫器、 多孔材料除沫器、玻璃纤维除沫器、干填料层 除沫器。,现象气速大时，塔顶雾沫夹带，造成物料流失，效 率降低，环境污染。,目的减少液体夹带损失，确保气体纯度，后续设备 正常操作。,4,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,一、丝网除沫,应用场合清洁气体。 不宜用于液滴中含有或易析出固体物质的场合 (如碱液、碳酸氢钠溶液等)，以免液体蒸发后 留下固体堵塞
2、丝网。 当雾沫中含有少量悬浮物时，应注意经常冲洗。,特点比表面积大，重量轻，空隙率大，使用方便， 除沫效率高，压力降小，应用广泛。,5,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,丝网层厚度按工艺条件通过试验确定。,气速除沫效率 气速太低，雾滴没有撞击丝网； 气速太大，聚集在丝网上的雾滴不易降落，又 被气流重新带走。 实际取气速13m/s。,6,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,当金属网丝直径为 0.0760.4mm，网层重度为4805300N/m3，在上述适宜气速下，丝网层的蓄液厚度为2550mm，此时取网层厚度为100150mm，可获较好除沫效果。如除沫要求严格，可取厚一些或采用两段丝网。当采用
3、合成纤维丝网，且纤维直径为0.0050.03mm时，制成的丝网层应压紧到重度为11001600N/m3，网层厚度一般取50mm。,7,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,丝网除沫器分类,盘形,条形,采用波纹形丝网缠绕至所需要的直径。厚度等于丝网的宽度。,采用波纹形丝网一层层平铺至所需厚度，上、下各放置一块隔栅板。使用定距杆使其连成一整体。,8,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,1升气管2挡板3格栅4丝网5梁,小直径塔缩径型丝网除沫器，丝网块直径小于设备内直径，需另加一圆筒短节(升气管)以安放网块。,图7-64 升气管型除沫,9,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,大直径塔全径型丝网除沫器，丝
4、网与上、下栅板分块制作，每一块应能通过人孔在塔内安装。,图7-65 全径型丝网除沫器,1压条 2格栅 3丝网,10,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,二、折流板式除沫,特点结构简单，不易堵塞，但金属消耗量大，造 价较高。一般情况下，它可除去510-5m 以 上的液滴，压力降为50100Pa。,原理夹带液体的气体通过角钢通道时，由于碰撞 及惯性作用而达到截留及惯性分离。分离下 来的液体由导液管与进料一起进入分布器。,结构图7-69。由50mm50mm3mm角钢制成。,11,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,图7-66 折流板除沫器,12,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,三、螺旋板除沫器,
5、原理夹带液滴的气体通过叶片时产生旋转和 离心运动。在离心力的作用下将液滴甩 至塔壁，从而实现气-液分离。除沫效 率可达95%。,结构由固定叶片组成，如风车状。,13,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,图7-67 旋流板除沫器,气流方向,14,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,7.4.2 裙座(P340),圆筒形,圆锥形,圆筒形裙座制造方便，经济上合理，故应用广泛。,圆锥形裙座用于受力情况比较差，塔径小且很高的塔(如DN1m，且H/DN25，或DN1m，且H/DN30)，为防止风载或地震载荷引起的弯矩造成塔翻倒，要配置较多地脚螺栓及具有足够大承载面积的基础环。,15,7.4 塔设备的附件,过
6、程装备设计,一、裙座的结构,裙座筒体,基础环,地脚螺栓座,人孔,排气孔,引出管通道,保温支承圈,等等,16,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,1塔体 2保温支承圈 3无保温时排气孔4裙座筒体 5人孔 6螺栓座 7基础环8有保温时排气孔 9引出管通道; 10排液孔,图7-68 裙座的结构,17,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,二、裙座与塔体的焊缝,分为,对接,搭接,裙座筒体外径与塔体下封头外径相等，焊缝必须采用全焊透连续焊，见图7-69（a）。,搭接部位在下封头或塔体上。,图7-69 (b)，裙座与下封头搭接，必须位于下封头的直边段，搭接焊缝与下封头的环焊缝距离应在 (1.7-3)s 范围
7、内(s为裙座筒体壁厚)，且不得与下封头的环焊缝连成一体。图7-69（c），裙座与塔体搭接，焊缝与下封头的环向连接焊缝距离不得小于1.7n（n为塔体的名义厚度）。搭接焊缝必须填满。,18,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,对接,(a),图7-69 裙座与筒体焊缝,19,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,与下封头的环焊缝距离,搭接，位于下封头的直边段,图7-69 裙座与筒体焊缝,(b),20,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,搭接，位于筒体上,与下封头的环向连接焊缝距离,(c),图7-69 裙座与筒体焊缝,21,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,三、裙座的材料,1.普通碳素结构钢裙座不直接
8、与塔内介质接触，也不 承受塔内介质的压力。,Q235-A-通常情况。,Q235-AF有缺口敏感及夹层等缺陷，仅能用于常温 操作，裙座设计温度高于-20,且不以风 载荷或地震载荷确定裙座壁厚的场合（如 高径比小，重量轻或置于框架内的塔）。,22,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,3. 低合金钢或高合金钢考虑塔下部封头材料， 裙座短节应与封头材料相同。另需考 虑温度的影响。,2. 16Mn裙座设计温度等于或低于-20时。,23,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,7.4.3 吊柱(P342),吊柱管用20无缝钢管，其它部件用Q235-A和Q235-AF。吊柱与塔连接的衬板应与塔体材料相同。主要结
9、构尺寸参数已制定系列标准。,目的（室外无框架整体塔设备）安装、拆卸内件， 更换或补充填料。,位置 塔顶。吊柱中心线与人孔中心线间有合适夹 角，便于操作。见图7-70。,24,7.4 塔设备的附件,过程装备设计,1支架 2防雨罩3固定销 4导向板 5手柄 6吊柱管7吊钩 8挡板,图7-70 吊拄的结构及安装位置,25,第七章 塔设备,26,过程装备设计,7.5 塔的强度设计 (P342),特点安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在 混凝土基础上。,承受载荷,包括塔体、塔内件、介质、保温层、操作平台、扶梯等附件的重量,27,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,三种工况,正常操作,停工检修,压力试验
10、,三种工况下轴向强度及稳定性校核的基本步骤：,按设计条件，初步确定塔的壁厚和其它尺寸。计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏心载荷等。危险截面的轴向强度和稳定性校核。 设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等。,28,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔的强度设计的解题思路,承受载荷,要用到固有周期T,M,应力校核,轴向总应力,由弯矩引起的,由轴向力引起的,29,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,7.5.1 塔的固有周期 (P343),在动载荷(风载荷、地震载荷)作用下，塔设备各截面变形及内力与塔的自由振动周期(或频率)及振动形式有关。,在进行塔设备载荷计算及强度校核之前， 必
11、须首先计算固有（或自振）周期。,30,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,固有周期的求解思路,31,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,32,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,一、等直径、等壁厚塔的固有周期,图7-71 计算模型,1.力学模型,顶端自由、底部固定、质量沿高度均匀分布的悬臂梁,33,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,2.挠度曲线方程（动载荷）,梁在动载荷作用下发生弯曲振动，挠度曲线随时间变化，为,34,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,设塔为理想弹性体、振幅很小、无阻尼、塔高与塔直径之比较大（大于5），由材料力学中弯曲理论知，在分布惯性力q作用下的挠曲线微分方程为：,（7-
12、1）,振动微分方程,式中 E塔体材料在设计温度下的杨氏弹性模量,Pa;,I塔截面的形心轴惯性矩,，m4;,塔的内直径，m；,塔的外直径，m;,e塔壁的有效厚度，m。,Di,D0,35,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,根据牛顿第二定律，梁上的分布惯性力q为,（7-2）,式中 m塔单位高度上的质量，kg/m。将式（7-2）代入式（7-1）得,（7-3）,36,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,根据塔的振动特性，令上式的解为,式中 塔的固有圆频率，rad/s;,t时间，s；Y(x)塔振动时在x处的最大位移，m。,设通解,37,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,将y(x,t)代入振动方程式（7
13、-3）得,(7-4),式中 k 系数,式（7-4）边界条件：,塔顶自由端，,塔底固定端，,由边界条件求解K,38,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,求解此方程得塔设备前三个振型时的k值分别为：,39,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,4. 前三个振型时的固有周期,由系数,值的表达式以及圆频率,和周期 间的关系,，得塔在前三个振型时的固有周期分别为,(7-5),式中 H塔高，m。,求得固有周期,T,40,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,5前三个振型,第一振型,第二振型,第三振型,图7-72 塔设备振型,41,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,二、不等直径或不等壁厚塔设备的固有周期,图7
14、-73 不等直径或不等壁厚塔的计算,多自由度体系,折算后的单自由度体系,42,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,解决办法：工程上将这种塔视为由多个塔节组成，将每个塔 节化为质量集中于其重心的质点，并采用质量折 算法计算第一振型的固有周期。 直径和壁厚相等的圆柱壳、改变直径用的圆锥壳 可视为塔节。,问题：不等直径或不等壁厚的塔，质量及刚度沿塔高不均匀 分布，不能用类似（7-3）的振动方程求解。,质量折算法,43,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,确定集中质量原则：使两个相互折算体系在振动时产生的,质量折算法：将一个多自由度体系，用一个折算的集 中质量代替，将一个多自由度体系简化 成一个单自由
15、度体系，如图7-73所示。,最大动能相等,44,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,图7-73 (a) 中，设塔节数为n，塔体振动时最大动能为各质点最大动能之和，即,(7-6),式中,多质点体系振动时的最大动能，J；,第i段塔节的质量，kg；,第i段塔节重心的最大速度，m/s;,第i段塔节重心的最大位移，即振幅，m。,45,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,折算成单自由度体系后的振动圆频率，rad/s；,同理，设单自由度体系的折算质量为ma，则振动时产生的最大动能为,式中,折算后单自由度体系的动能，J；,折算成单自由度体系后的质量，kg；,折算成单自由度体系后质点的最大位移 (振幅)，m。,
16、46,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,令,即,(7-7),（将多自由度体系折算成等价的单自由度体系，振动圆频率相同）,（塔顶的最大位移即振幅相等）。,47,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,研究表明，多自由度体系的第一振型曲线可近似为抛物线，且最大位移,和,之间有如下关系,(7-8),将上式代入式(7-7)得,(7-9),48,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,对于单自由度体系，其固有周期的计算公式为,(7-10),式中,顶端作用单位力时所产生的位移，m/N。,由材料力学可知，顶端作用单位力时，变截面梁在顶端的位移为,(7-11),49,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,将式（7-9
17、）和式（7-11）代入(7-10)，得不等直径或不等壁厚塔设备第一振型的固有周期为,(7-12),式中,第i段塔节底部截面至塔顶的距离，m；,第i段塔节材料在设计温度下的杨氏弹性 模量，Pa；,第i段塔节形心轴的惯性矩，m4；,50,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,对于圆柱形塔节，,对于圆锥形塔节，,，m4；,圆锥形塔节小端内直径，m；,圆锥形塔节大端内直径，m；,第 i 段塔节的有效厚度，m。,若第 i 段塔节形状为圆柱形，则,，m4；,51,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,7.5.2 塔的载荷分析 (P347),m01塔体、裙座质量；m02塔内件如塔盘或填料的质量；m03保温材料的
18、质量；m04操作平台及扶梯的质量；m05操作时物料的质量；ma塔附件如人孔、接管、法兰等质量；mw水压试验时充水的质量；me偏心载荷。,一、质量载荷,包括：,52,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔设备在正常操作时的质量,(7-13),塔设备在水压试验时的最大质量,(7-14),塔设备在停工检修时的最小质量,(7-15),53,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,定义：塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备或其它附件 所引起的载荷。,二、偏心载荷,载荷产生的弯矩为：,(7-16),重力加速度，m/s2;,式中,偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线 间的距离，m；,偏心弯矩，Nm。,54,过程
19、装备设计,7.5 塔的强度设计,三、风载荷,1.影响：,（1）使塔体产生应力和变形； 使塔体产生顺风向的振动(纵向振动) 使塔体产生垂直于风向的诱导振动(横向振动)。,（2）过大的塔体应力会导致塔体的强度及稳定失效；,（3）太大的塔体挠度会造成塔盘上流体分布不均，分 离效率下降。,55,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,2.风载荷的构成：,一种随机载荷。对于顺风向风力，认为由两部分组成：,（1）平均风力（稳定风力），对结构的作用相当于 静力的作用； 平均风力是风载荷的静力部分，其值等于风压 和塔设备迎风面积的乘积。,（2）脉动风力（阵风脉动），对结构的作用是动力 的作用。 脉动风力是非周期性
20、的随机作用力，它是风载 荷的动力部分，会引起塔设备的振动。 计算时，折算成静载荷，即在静力基础上考虑 与动力有关的折算系数，称风振系数。,56,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,图7-74 风载荷计算简图,57,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,3.风力计算,塔设备中第 i 计算段所受的水平风力可由下式计算,（ 7-17）,式中,塔设备中第i段的水平风力，N；,体型系数；,塔设备中第i 计算段的风振系数；,风压高度变化系数；,各地区的基本风压，N/m2；,塔设备各计算段的计算高度(见图7-74)，m；,塔设备中第i 段迎风面的有效直径，m；,58,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,基本风
21、速, 随地区、季节及离地面的 高度而变化，m/s。,a.基本风压q0,基本风压q0由相应地区的基本风速v0 通过下式确定,(7-18),式中,基本风压, N/m2,空气密度, 随当地的高度和湿度而异， kg/m3；,59,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,空气密度- 根据一个大气压下、10 时干空气密度计算，即=1.25 kg/m3；基本风速v0- 采用离地面高度10m，30年一遇，10分钟内平均最大风速。查图。,我国设计规范规定：,60,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,b. 高度变化系数 fi,风速或风压随离地面的高度而变化。 风速沿高度变化呈指数规律，风压等于基本风压 q0与高度变化
22、系数fi 的乘积。 风压高度变化系数fi 值随地面的粗糙度类别而不同，见表7-5。,61,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,表7-5 风压高度变化系数fi,62,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,注：,A 类地面粗糙度指近海海面、海岸、海岛、湖岸 及沙漠地区；B 类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏 的中小城镇和大城市郊区。C 类指具有密集建筑群的大城市市区。,63,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,c. 风压,塔高度10m：分段计算，每10m 分为一计算段，余 下的最后一段高度取其实际高度， 如图7-74所示。,其中任意计算段风压为：,(7-19),第i 段的风压，N/m2。,式中
23、,64,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,d. 体型系数Ki,在同样风速条件下，风压在不同体型结构表面分布不相同。细长圆柱形塔体结构，体型系数 Ki=0.7,65,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,e. 风振系数K2i,风振系数K2i ：是考虑风载荷的脉动性质和塔体的动 力特性的折算系数。,塔的振动会影响风力的大小。当塔设备越高时，基本周期越大，塔体摇晃越甚，则反弹时在同样的风压下引起更大的风力。,66,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔高H20m的塔设备，取K2i =1.70。塔高H20m时， K2i按下式计算,(7-20),脉动增大系数，其值按表7-6确定；,式中,第i段的脉动影响
24、系数，由表7-7确定；,第i段的振型系数，由表7-8查得。,zi,67,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,表7-6 脉动放大系数,注：(1)表中q1为风压，对于B类地区， q1=q0，C类地区q1=0.71q0 (2)T1为第一自振周期。,68,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,表7-7 脉动影响系数 vi,注：表中hit 为塔设备第 i 计算段顶部截面至地面的高度，m。,69,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,表7-8 振型系数Zi,70,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,注：表中 u 为塔顶与塔底有效直径的比值；,H 为塔设备总高度，m (见图7-74)。,Hit 为第 i 计算段
25、顶部截面至地面的 高度，m (见图7-74)；,71,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,f. 塔设备迎风面的有效直径Dei,塔设备迎风面有效直径Dei：该段所有受风构件迎风面宽度总和。,当笼式扶梯与塔顶管线布置成180时,(7-21),当笼式扶梯与塔顶管线布置成90时，Dei 取下列两式中的较大值。,(7-22),72,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔设备各计算段的外径，m；,式中,塔设备各计算段保温层的厚度，m；,塔顶管线外径，m；,管线保温层的厚度，m；,笼式扶梯的当量宽度，当无确定数据时，可取,=0.40 m；,操作平台的当量宽度，m；,第 i 段内操作平台构件的投影面积(不计
26、空挡的投影面积)，m2；,操作平台所在计算段的高度，m。,73,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,将塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在任意截面处的风弯矩为（图7-74所示），,4.风弯矩计算,(7-23),74,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,四、地震载荷,地震发生时，地面运动是一种复杂的空间运动，可分解为三个平动分量和三个转动分量。鉴于转动分量的实例数据很少，地震载荷计算时一般不予考虑。,地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。垂直方向（纵向）的危害较横向振动要小，只有当地震烈度为8度或9度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。,75,过程装备设计,7.5 塔的强
27、度设计,（1）地震力计算,a. 水平地震力：,地震时地面运动对于设备的作用力。,底部刚性固定在基础上的塔设备，简化成单质点弹性体系，如图7-75所示。地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力，为,76,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,(7-24),综合影响系数，取CZ =0.5；,式中,集中于单质点的质量，kg；,地震影响系数，根据场地土特性周期及 塔自振周期由图7-76确定。,图7-76中曲线部分，地震影响系数按(7-25)式计算，若自振周期 3s，则以 3s 计算，但其值不得小于0.2max 。,77,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,F,mp,图7-75 单质点体系的地震力,7
28、8,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,图7-76 地震影响系数值,79,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,(7-25),式中,特征周期，按场地土的类型及震区 类型由表7-9确定；,地震影响系数的最大值，如表7-10所示。,80,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,表7-9 场地土的特性周期Tg,类场地土：坚硬场地土，类场地土：中硬场地土，类场地土：中软场地土，类场地土：软弱场地土。,81,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,近震区：指该地区的地震烈度是来自于与地震烈度相等 或比地震烈度小一度的地震影响。远震区：指该地区的地震烈度是来自于比其大两度或两 度以上的地震影响。,表7-10 地震影
29、响系数的最大值,82,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,式（7-24）中,可以理解为单质点的绝对加速度。,实际上，塔设备是一多质点的弹性体系，如图7-77。,图7-77 多质点体系的地震力,83,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,对于多质点体系，具有多个振型。根据振型迭加原理，可将多质点体系的计算转换成多个单质点体系相迭加。对于实际塔设备水平地震力的计算，可在前述单质点体系计算的基础上，为考虑振型对绝对加速度及地震力的影响，引入振型参考系数,(7-26),84,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔设备的第一振型曲线可以近似为式(7-8)所表示的抛物线。将式(7-8)代入,的表达式，,可得
30、相应于第一振型的振型参考系数,(7-27),85,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,因而，第 k 段塔节重心处(k质点处)产生的相当于第一振型(基本振型)的水平地震力为：,(7-28),对应于塔器基本固有周期T1 的地震影响 系数 值；,式中,第k 段塔节的集中质量mk离地面的距离，m；,第k 段塔节的集中质量(见图7-68)，kg；,86,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,b.垂直地震力,在地震烈度为8度或9度的地区，考虑垂直地震力的作用。一个多质点体系见图7-78，在地面的垂直运动作用下，塔设备底部截面上的垂直地震力为,图7-78 多质点体系的 垂直地震力,87,过程装备设计,7.5
31、塔的强度设计,(7-29),垂直地震影响系数的最大值，取,=0.65,式中,塔设备的当量质量，取,kg；,塔设备操作时的质量，kg。,88,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔任意质点 i 处垂直地震力为,(7-30),89,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,(2) 地震弯矩,在水平地震力的作用下，塔设备的任意计算截面I-I处，基本振型的地震弯矩为,(7-31),式中,任意截面I-I处基本振型的地震弯矩，Nm。,90,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,如图7-74所示。在距离地面高度为x 处，取微元dx，则质量为mdx，其振型参考系数为,等直径、等壁厚的塔，质量沿塔高是均匀分布的。,91
32、,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,则水平地震力 dFk1为,92,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,设任意计算截面I-I距地面的高度为 h(见图7-77)，基本振型在I-I截面处产生的地震弯矩为,(7-32),93,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,当 h=0时，即塔设备底部截面0-0处，由基本振型产生的地震弯矩为,(7-33),以上计算是按塔设备基本振型(第一振型)的结果。,94,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,这时应根据前三个振型，即第一、二、三振型，分别计算其水平地震力及地震弯矩。然后根据振型组合的方法确定作用于K 质点处的最大地震力及地震弯矩。,当H/D15或塔设备高度大于
33、等于20m时，还必须考虑高振型的影响。,一种简化的近似算法是按第一振型的计算结果估算地震弯矩，即,(7-34),95,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,五、最大弯矩,确定最大弯矩时，偏保守地设为风弯矩、地震弯矩和偏心弯矩同时出现，且出现在塔设备的同一方向。但考虑到最大风速和最高地震级别同时出现的可能性很小，在正常或停工检修时，取计算截面处的最大弯矩为,(7-35),取其中较大值,96,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,在水压试验时，由于试验日期可以选择且持续时间较短， 取最大弯矩为,97,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,7.5.3 筒体的强度及稳定性校核 (P355),根据操作压力(内
34、压或真空)计算塔体厚度之后，对正常操作、停工检修及压力试验等工况，分别计算各工况下相应压力、重量和垂直地震力、最大弯矩引起的筒体轴向应力，再确定最大拉伸应力和最大压缩应力，并进行强度和稳定性校核。如不满足要求，则须调整塔体厚度，重新进行应力校核。,98,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,一、筒体轴向应力,99,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,（2）重力及垂直地震力在筒壁中产生的轴向压应力2,(7-37),任意截面I-I以上塔设备承受的质量，kg；,式中,垂直地震力，仅在最大弯矩为地震弯矩参 与组合时计入此项, N。,100,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,（3）最大弯矩在筒体中引起的
35、轴向应力3,计算截面I-I处的最大弯矩，由式(7-34) 确定，Nm；,式中,计算截面I-I处的抗弯截面模量，,m3。,(7-38),101,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,二、轴向应力校核条件,最大弯矩在筒体中引起的轴向应力沿环向是不断变化的。与沿环向均布的轴向应力相比，这种应力对塔强度或稳定失效的危害要小一些。在塔体应力校核时，对许用拉伸应力和压缩应力引入载荷组合系数K，并取K=1.2。,102,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,（1）正常操作和停工检修工况：,总的轴向应力,=,1 内、外压,2 重力、垂直地震力,+,Mmax 最大弯矩引起的轴向应力,迎风侧最大拉伸应力：,背风侧最大
36、压缩应力：,其中B为许用轴向压缩应力。,和B的确定参见本书第4章。,+,103,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,（2）压力试验工况：,轴向拉伸应力用,其中，,为筒体材料屈服点。,轴向压缩应力用,无,104,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,或按钢制塔式容器JB471092写为：,轴向拉伸应力校核：,对内压塔：,对外压塔：,轴向压缩应力校核：,对内压塔：,对外压塔：,105,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,7.5.4 裙座的强度及稳定校核 (P356),一、裙座筒体,受到重量和各种弯矩的作用，但不承受压力。,危险截面：,裙座底部截面，重量和弯矩在裙座底部截面处最大。裙座上的检查孔或人孔
37、、管线引出孔的孔中心所在横截面处。,106,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,应力校核：,只校核危险截面的最大轴向压缩应力。,因为裙座筒体不受容器内压力作用，轴向组合拉伸应力总是小于轴向组合压缩应力。,107,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,二、裙座基础环,裙座基础环的结构如图7-79及7-80所示，分为无筋板的结构及有筋板的结构两类。基础环的内、外直径可按下式选取,(7-39),(7-40),108,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,塔设备的重量，风载荷、地震载荷及偏心载荷引起的弯矩通过裙座筒体作用在基础环上的力。,（1）基础环应力分布,基础环上受到的力：,基础环上的应力：,在基础环
38、与混凝土基础接触面上，重量引起均布压缩应力，弯曲引起弯曲应力，压缩应力始终大于拉伸应力，最大压缩应力为 ，应力分布如图7-81所示。,基础环板应有足够厚度来承受这种应力。,109,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,(2) 基础环厚度,a. 无筋板基础环,假想把基础环沿圆周方向拉直，当作受到均布载荷,作用的悬臂梁，梁的长度等于b ，如图7-79所示。设拉直后梁的宽度为L, 则梁所受的最大弯矩为,110,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,图7-79 无筋板的基础环,111,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,由弯矩引起的最大弯应力位于梁根部的上下表面，其值应小于基础环材料的许用应力 ，即,因此
39、，基础环所需的厚度,为,(7-41),112,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,b. 有筋板基础环,两相邻筋板之间的基础环板可近似为受均布载荷的矩形板(bl ),有筋板的两侧边(边长为b )视为简支，与裙座筒体连接的边缘(边长视为l )作为固支，基础环的外边缘(长度视为 l )作为自由边。,根据平板理论，可以计算板中的最大弯矩此时，基础环的厚度为,(7-42),113,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,图7-80 有筋板的基础环,114,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,四、地脚螺栓,作用,使高的塔设备固定在混凝土基础上，以防风弯矩或地震弯矩等使其发生倾倒。,（1）如图7-81所示，在重
40、量和弯矩作用下，如果迎风侧 地脚螺栓承受的应力 则表示塔设备自身 稳定而不会倾倒，原则上可不设地脚螺栓，但是为 了固定设备的位置，还应设置一定数量的地脚螺栓；,B 0,115,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,图7-81 基础环的应力,116,过程装备设计,7.5 塔的强度设计,五、裙座与塔体连接焊缝,裙座直接焊接在塔体的底部封头上。,焊缝形式,搭接焊缝,对接焊缝,搭接焊缝是裙座焊在壳体外侧的结构。焊缝承受由设备重量及弯矩产生的切应力。这种结构受力情况较差，但安装方便，可用于小型塔设备。,搭接焊缝是裙座焊在壳体外侧的结构。焊缝承受由设备重量及弯矩产生的切应力。这种结构受力情况较差，但安装方便
41、，可用于小型塔设备。,117,过程装备设计,第七章 塔设备,118,过程装备设计,7.6 塔设备的振动 (P358),安装于室外的塔设备，在风力的作用下，产生两个方向的振动。,（1）顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向；（2）横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向， 又称横向振动或风的诱导振动。,它对塔设备的破坏性大，所以本章主要讨论风的诱导振动。,119,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,7.6.1 风的诱导振动(P358),一、诱导振动的流体力学原理,风以一定的速度绕流圆柱形塔设备，塔设备周围的风速是变化的,图8-85 塔周围的风速,120,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,风速：迎风侧
42、A点风速为0，由A 到B点，风速B点到D点，风速,风压：A点处风压最高，由A向B点，风压 B点向D点，风压,塔设备周围的风压，正好与风速相反。,121,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,由于塔的表面存在边界层，层内各点的速度从壁面为零沿径向逐渐增大，直到与边界层外的主流体的速度相同。,塔前半周(从A点到B点) 尽管由于边界层内的粘性摩擦力使层内流速不断下降， 但由于边界层外的主流体其流速是逐步增加的，所以边 界层内的流体能从主流体获得能量而使速度不至下降。,122,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,塔后半周(从B到D点) 由于主流体本身不断减速，使边界层内流体不能从 主流体获得补充能量，因
43、粘性摩擦力使其速度逐步 减小，结果导致边界层不断增厚，在C 点处出现边 界层流体增厚并堆积，见图8-83(a)。,123,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,图8-83 边界层的堆积及旋涡的形成,(a)边界层的堆积,124,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,卡曼旋涡(Karman Vertex),外层主流体绕过堆积的边界层，使堆积边界层背后形成一流体的空白区。在逆向压强梯度作用下，流体倒流至空白区，并推开堆积层的流体，在塔体背后产生旋涡，见图8-83(b)。,125,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,(b)旋涡的形成,图8-83 边界层的堆积及旋涡的形成,126,过程装备设计,7.6 塔设
44、备的振动,旋涡特性与雷诺数的关系,Re5 塔体后部流线是封闭形的，且塔体上、下游 的流线是对称的，边界层未发现分离现象；5Re40 塔体背后出现一对稳定的旋涡；40Re150 塔体背后一侧先形成一个旋涡，在它 从塔体表面脱落而向下游移动时，塔体背后另 一侧的对称位置处形成一个旋转方向相反的旋 涡。在这个旋涡脱落时，在原先的一侧又形成 一个新的旋涡，这些旋涡在尾流中有规律地交 错排列成两行，见图8-84。,此现象工程上称为卡曼涡街(Karman Street),127,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,300Re3105旋涡以一确定的频率周期性地 脱落，该范围称为亚临界区。3105Re3.5106尾流变窄，无规律且都变 成紊流，无涡街出现。称为过渡期。Re3.5106卡曼涡街又重新出现，称超临界区。,128,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,(b),图8-84 卡曼涡街,129,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,图8-84 卡曼涡街,(b),130,过程装备设计,7.6 塔设备的振动,横向振动,出现卡曼涡街时，两侧旋涡交替产生和脱落，塔两侧流体阻力不同，呈周期性变化。,阻力小的一侧即旋涡脱落的一侧，绕流改善， 速度较快，静压力较低。,阻力大的一侧即旋涡形成并长大的一侧绕流较差， 流速下降，静压强较高；,131,
