第十七章 塔设备强度设计计算

第十七章塔设备强度设计计算一、塔体的强度计算安装在室外的高度与直径比（H/D）较大的塔设备，除承受操作压力外，还要承受质量载荷、风载荷、地震载荷和偏心载荷等，见塔设备各种载荷示意图。因此，在进行塔设备设计时必须根据受载情况进行强度计算与校核。塔设备各种载荷示意图㈠按设计压力计算筒体及封头壁厚按本篇第十五章容器设计基础中内压、外压容器的设计方法，计算塔体和封头的有效厚度。㈡塔设备所承受的各种载荷计算以下要讨论的载荷主要有：操作压力；质量载荷；风载荷；地震载荷；偏心载荷。１．操作压力当塔为内压时，在塔壁上引起周向及轴向拉应力；当塔为外压时，在塔壁上引起周向及轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。２．质量载荷塔设备的质量包括塔体、裙座体、内构件、保温材料、扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。设备操作时的质量m0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me（4-42）设备的最大质量（水压试验时）mmax=m1+m2+m3+m4+mw+ma+me（4-43）设备最小质量mmin=m1+0.2m2+m3+m4+ma+me（4-44）式中：m1:塔体和裙座质量，Kg；m2:内件质量，Kg；m3:保温材料质量，Kg；m4:平台、扶梯质量，Kg；m5:操作时塔内物料质量，Kg；ma:人孔、接管、法兰等附件质量，Kg；me:偏心质量，Kg；mw:液压试验时，塔内充液质量，Kg；0.2m2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则mmin应扣除m3和m4。在计算m2、m4及m5时，若无实际资料，可参考表4-25进行估算。表4-25塔设备部分内件、附件质量参考值名称笼式扶梯开式扶梯钢制平台圆形泡罩塔盘条形泡罩塔盘筛板塔盘浮阀塔盘舌型塔盘塔盘充液单位质量40Kｇ/m15～24Kｇ/m150Kｇ/m2150Kｇ/m2150Kｇ/m265Kｇ/m275Kｇ/m275Kｇ/m270Kｇ/m2㈢圆筒的应力1．塔设备由内压或外压引起的轴向应力（4-55）式中1-由内压或外压引起的轴向应力，MPa；p-设计压力，MPa；Di-筒体内径，mm；ei-i-i截面处筒体有效壁厚，mm。2．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）（4-56）式中：2-重量及垂直地震力引起的轴向应力，MPa；moi-i-任意计算截面i-i以上塔体承受的操作或非操作时的质量，Kg。其中Fvi-i仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。3．最大弯矩在筒体内引起的轴向应力各种载荷在塔设备上引起的弯矩有风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩Me。由于所给的气象资料是该地区的最大平均风速和可能出现的最大地震烈度，而实际上，风载荷和地震载荷同时达到最大值的几率是极小的。如按两者相加计算，未免过于保守。通常，在正常操作条件下最大弯矩按下式取值：（4-57）水压试验的时间往往是人为选定的，而且实验时间较短，所以，在实验情况下最大弯矩取值（4-58）最大弯矩在筒体中引起的轴向应力（4-59）式中3-最大弯矩在筒体中引起的轴向应力，MPa；㈣筒体壁厚校核１．最大轴向组合应力的计算各种载荷引起的轴向应力，以+表示拉应力，以-表示压应力，各种轴向应力的符号见表4-33。表4-33各种载荷引起的轴向应力符号内压塔设备外压塔设备正常操作时停修时正常操作时停修时迎风侧背风侧迎风侧背风侧迎风侧背风侧迎风侧背风侧应力状态1+0-02----3+-+-+-+-max1-2+3-（2+3）-（1+2+3）-2+3（1）内压操作的塔设备①最大组合轴向拉应力，出现在正常操作时的迎风侧，即（4-60）②最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即（4-61）（2）外压操作的塔设备①最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即（4-62）②最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即（4-63）2.强度与稳定性效核根据正常操作时或停车检修时的各种危险情况，求出的最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，如表4-34所示。周向拉应力只进行强度校核，因为不存在稳定性问题。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。表4-34轴向最大应力的校核条件轴向最大应力强度校核稳定性校核轴向最大拉应力max≤K[]t轴向最大压应力max≤K[]t≤K注：为筒体内半径；K为载荷组合系数，取K=1.2。3.水压试验时应力校核(1)关于拉应力①环向拉应力的验算，在第十五章有过阐述，见式（4-16）。②最大组合轴向拉应力（4-64）(2)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（4-65）式中K为载荷组合系数，取K=1.2。对于塔体而言，其最大的风弯矩引起的弯曲应力3i-i发生在裙座和塔体的连接截面2-2上。对于裙座来讲，3i-i的最大应力发生在裙座底截面0-0或人孔截面1-1上。质量载荷：塔设备的质量包括塔体、裙座体、内构件、保温材料、扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。设备操作时的质量m0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me（4-42）设备的最大质量（水压试验时）mmax=m1+m2+m3+m4+mw+ma+me（4-43）设备最小质量mmin=m1+0.2m2+m3+m4+ma+me（4-44）式中：m1:塔体和裙座质量，Kg；m2:内件质量，Kg；m3:保温材料质量，Kg；m4:平台、扶梯质量，Kg；m5:操作时塔内物料质量，Kg；ma:人孔、接管、法兰等附件质量，Kg；me:偏心质量，Kg；mw:液压试验时，塔内充液质量，Kg；0.2m2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则mmin应扣除m3和m4。在计算m2、m4及m5时，若无实际资料，可参考表4-25进行估算。表4-25塔设备部分内件、附件质量参考值名称笼式扶梯开式扶梯钢制平台圆形泡罩塔盘条形泡罩塔盘筛板塔盘浮阀塔盘舌型塔盘塔盘充液单位质40Kｇ/m15～24Kｇ/m150Kｇ/m2150Kｇ/m2150Kｇ/m265Kｇ/m275Kｇ/m275Kｇ/m270Kｇ/m2量风载荷:安装在室外的自支承式塔设备，可视为支承在地基上的悬臂梁。塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一侧产生压应力。另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与风弯矩按矢量叠加。（1）水平风力的计算风吹在塔上，在迎风面产生风压。风压的大小与风速、空气密度、所在的地区和季节有关。根据各地区离地面高度为10m处30年一遇10分钟内的平均风速最大值作为计算风压，得到该地区的基本风压q0，见表4-26。表4-2610米高度处我国各地基本风压q0N/m2地区上海南京徐州扬州南通杭州宁波衢州温州福州q0550350350350400400500400550600地区广州茂名湛江北京天津石家庄保定沈阳长春抚顺q0450600750350400300400500550450地区大连吉林四平哈尔滨济南青岛郑州洛阳蚌埠南昌q0600450550450350550400350350400地区武汉包头呼和浩特太原大同兰州银川长沙株州南宁q0300500500300400300650350350400地区成都重庆贵阳西安延安昆明西宁拉萨乌鲁木齐台北q02503003003502502503503506001200地区台东q01500注：河道、峡谷、山坡、山沟汇交口、山沟的转弯处以及堰口应根据实测值选定。风的粘滞作用使风速随地面高度而变化。如果塔设备高于10m，则应分段计算各段的风载荷，视离地面高度的不同乘以高度变化系数fi，见表4-27。表4-27风压高度变化系数fi距地面高度hit(m)510152030405060708090100系数fiA1.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.4B0.81.01.141.251.421.561.671.771.861.952.022.09C0.540.710.840.941.111.241.361.461.551.641.721.79注：hit-塔设备第i段顶截面距地面的高度。A类地面粗糙度系指近海海面、海岸、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。风压的大小还与塔设备的高度、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：（4-45）式中：Pi-水平风力，N；q0-基本风压值，N/ｍ2，见表4-26，但均不应小于250N/ｍ2；Li-第计算段长度（见风弯矩计算简图），mm；图4-60风弯矩计算简图fi-风压高度变化系数，按表4-27选取；表4-27风压高度变化系数fi距地面高度hit(m)510152030405060708090100系数fiA1.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.4B0.81.01.141.251.421.561.671.771.861.952.022.09C0.540.710.840.941.111.241.361.461.551.641.721.79注：hit-塔设备第i段顶截面距地面的高度。A类地面粗糙度系指近海海面、海岸、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。K1-体型系数，圆柱直立设备取0.7；Dei-塔设备各计算段的有效直径，mm；当笼式扶梯与塔顶管线布置成180°时，可取当笼式扶梯与塔顶管线布置成90°时，取下列两式中的较大值：式中：Doi-塔设备各计算段的外径，mm；d0-塔顶管线外径，mm；ps-管线保温层厚度，mm；si-塔设备器第i段保温层厚度，mm；K3-笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mm；K4-操作平台当量宽度，mm；可取；∑A-第i段内平台构件的投影面积（不计空档投影面积），mm2；l0-操作平台所在计算段长度，mm；K2i-塔设备各计算段的风振系数，当塔高H≤20m时，取K2i=1.7；当H20m时，按下式计算-脉动增大系数，按表4-28查取；表4-28脉动增大系数q1T12(Ns2/m2)10204060801001.471.571.691.771.831.88q1T12(Ns2/m2)200400600800100020002.042.242.362.462.532.80q1T12(Ns2/m2)4000600080001000020000300003.093.283.423.543.914.14注：计算q1T12时，对A类q1=q0，对B类q1=1.38q0，对C类q1=0.71q0。Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查取；表4-29脉动影响系数i高度Hit(m)1020406080100粗糙度类别A0.780.830.870.890.890.89B0.720.790.850.880.890.90C0.660.740.820.860.880.89zi-第i段振型系数，根据Hi/H与查表4-30；表4-30振型系数ziHit/H0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01zi0.020.070.150.240.350.480.600.730.871.00.80.010.060.120.210.320.440.570.710.861.0注：表中为顶、底有效直径之比。其它值对应的zi值可参见标准。（2）风弯矩在计算风载荷时，常常将塔设备沿塔高分成若干段，如下图所示。一般习惯