2010年江苏D级压力容器设计人员培训班讲稿――塔设备

2010年江苏省D类压力容器设计人员培训班JB/T4710－2005标准学习塔式容器0.塔式容器简介0.1塔式容器在工艺上的作用：塔式容器是直立设备中的一种，它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到传质及传热的目的。在化工、炼油、医药、石化、轻纺、石油天然气等行业的蒸馏、吸收、解吸、萃取及气体的洗涤、冷却、增湿、干燥的单元操作中得到广泛的应用，是生产中最重要的设备之一。0.2塔式容器的主要特点是：体型高，长宽比大，荷载重，塔身除了承受压力载荷、温度载荷外，还承受风载荷、地震载荷和重量载荷。塔式容器的支座通常为裙式支座，塔式的整个重量都是由裙座支承。地脚螺栓又将裙座固定在基础上。对于直径较小的塔式容器也有采用耳座、圈座等支承方式。也有由操作平台连成一体的塔群或排塔。0.3塔式容器的种类：从结构考虑：等直径等壁厚塔；等直径不同壁厚塔；变径塔等。从塔内件考虑：空塔；填料塔；板式塔等。0.塔式容器简介0.4塔式容器设计的有关参考标准规范：1.GB50011-2001《建筑抗震设计规范》2.GB50009-2001《建筑结构载荷规范》3.SH3098-2000《石油化工塔器设计规范》4.SH3048-1999《石油化工钢制设备抗震设计规范》5.HG20652-1998《塔器设计技术规定》一、总则：1.适用范围□适用于设计应力不大于35Mpa,H/D＞5，且高度H＞10m;裙座自支承的塔式容器：H——总高（指塔顶封头切线至裙座底部的距离）；D——塔壳的公称直径。对不等直径塔式容器：取各段公称直径的加权平均值适用范围是考虑下述因素制定的：a.塔式容器振动时只作平面弯曲振动；b.高度小的塔式容器截面的弯曲应力小，计算壁厚取决于压力载荷或最小厚度。c.塔式容器必须是自支承的。D=D1HlDHl221……一、总则：1.适用范围塔式容器属于高耸结构，其承受的载荷除压力、温度载荷外，还有风载荷、地震载荷、重量载荷、偏心载荷等。由于以上诸多载荷的存在，塔式容器的计算方法也不同于一般的压力容器。高塔在压力较低时，风载荷、地震载荷决定了塔器的壁厚。而低矮的塔器的壁厚大多数取决于压力载荷和最小壁厚。由于风载荷和地震载荷的计算都是动力计算。在作动力计算时，可视塔器为一底端固定的悬臂梁。其振动形式为剪切振动或弯曲振动，有时也可为剪、弯联合振动。当H/D≤4时，以剪切振动为主；4H/D≤10时为剪、弯联合振动；10H/D时以弯曲振动为主。设计塔器时仅考虑弯曲振动，忽略了剪切振动，才使得自振周期和地震计算得以简化。这样给设计工作带来了极大方便。这样作的结果，使自振周期变小，地震影响系数变大，计算出的地震载荷与地震弯矩较考虑剪切变形时大，设计上略趋于保守，但还是可行的。本标准仅适用于裙座自支承的塔器，所谓裙座自支承是指由裙座支承在基础上的独立塔器，塔与塔之间，塔与框架之间毫无关连。这也使计算自振特性时得以方便。（不适用的塔式容器）一、总则：2.塔式容器应考虑的载荷和工况：□载荷：（标准中计算考虑的载荷）a.内压或外压；b.液住静压力；c.塔式容器自重（包括内件和填料等）以及正常操作条件下和试验状态下内装物料的重力载荷；d.附属设备及隔热材料、村里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；e.风载荷和地震载荷；△需要时，还要考虑下列载荷：（标准中未给出计算方法）f.连接管道和其他部件引起的作用力；g.温度梯度和热膨胀不同引起的作用力；h.包括压力剧烈波动的冲击载荷；I,冲击反力，如由流体冲击引起的反力；j.运输和吊装时的作用力。一、总则：2.塔式容器应考虑的载荷和工况：□工况：（按最苛刻工况设计，并在设计图样注明各工况的压力温度）a.安装工况；（5.1.3）b.水压试验工况；√c.操作工况；√d.检修工况（包括开停车时清吹扫等）。□从载荷性质上分：可以分为静载荷和动载荷；区别：a.载荷大小、方向甚至作用点等不随时间变化的是静载荷，随时间变化的是动载荷。b.动载荷使结构产生加速度，引起结构振动。振动过程中结构的位移和内力随时间变化，因此，求出来的解是随时间有关的系列，而静载荷的解是单一的。c.动载荷计算与结构自身的振动特征（如自振频率或周期、振型与阻尼）有关，而静载荷仅与载荷大小、约束条件有关。一、总则：3.设计压力与设计温度确定设计压力时，要考虑：□装有超压泄放装置时，按GB150确定设计压力；□对工作压力小于0.1MPa的内压塔式容器、设计压力取不小于0.1MPa；□真空塔式容器、设计压力按承受外压不大于0.1MPa考虑，当无安全控制装置时，取0.1MPa；确定设计温度时，要考虑：□设计温度不低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度；金属温度低于0℃时，设计温度不高于元件金属可能达到的最低温度；□由中间封头隔成两个或两个以上压力室应分别确定其设计压力；□塔式容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度；□裙座壳的设计温度取使用地区月平均最低气温的最低值加20℃。一、总则：4.腐蚀裕量与最小厚度□腐蚀裕量：A.容器的塔体。a)应根据预期寿命和介质；利用金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；即C2=K·BK——腐蚀率毫米/年B——构件设计寿命，一般为15~20年b)各元件受到腐蚀程度不同时，分别确定其腐蚀裕量；c)介质：压缩空气，水或水蒸汽，材质为碳素钢或低合金钢时，腐蚀裕量不小于1毫米。B.裙座和地脚螺栓a)碳钢、低合金钢制裙座，腐蚀裕量取C2=2mm；b)地脚螺栓的腐蚀裕量，取C2=3mm。一、总则：4.腐蚀裕量与最小厚度□腐蚀裕量：C.塔器内件及附件的腐蚀裕量标准：均应符合相关标准。参考：结构形式受力状态腐蚀裕量C2不可拆卸或不能受力取塔壳腐蚀裕量从人孔取出不受力取塔壳腐蚀裕量的1/2可拆卸并可从受力取塔壳腐蚀裕量的1/4人孔取出不受力0一、总则：4.腐蚀裕量与最小厚度□最小厚度：A.容器壳体（成形后不包括腐蚀裕量）a)碳素钢、低合金钢制为2/1000的内直径、且不小于3毫米；b)高合金钢制，不小于2mm。B.裙座壳和地脚螺栓a)裙座壳名义厚度不得小于6mm。b)地脚螺栓直径，标准无限制，但工程上一般不小于M24，最大不超过M100。一、总则：5.材料的选用：A.受压元件受压元件材料选用按GB150规定；B.非受压元件应是已列入材料标准的钢材，当与受压元件焊接是，应是焊接性能良好的钢材；C.裙座材料裙座壳体按受压元件用钢要求选用。因为裙座壳体支撑塔体的整个重量，它的破坏直接影响塔器的正常使用。必要时裙座应设过渡段，使裙座顶部与塔体下部封头材料相同。SH3098《石油化工塔器设计规范》规定：a.设计温度T≤-20℃或T350℃，应设置过渡段；（HG20652规定,T250℃时）b.塔釜封头材料为低温用钢、不锈钢、铬钼钢时，应设置过渡段；c.裙座过渡段长度不小于300mm;设计温度低于-20℃或高于350℃时，过渡段长度（壁温层厚度的4～6倍）不小于500mm；d.裙座高度低于2.5m,可不设过渡段，但裙座材质应与底封头材质相同或接近。一、总则：6.许用应力A.塔式容器壳体（含裙座壳体）按GB150材料一章选取。B.非受压元件、基础环、盖板和筋板、地脚螺栓a）地脚螺栓Q235－A[σ]bt=147Mpa16MnR[σ]bt=170Mpa采用其它材料时:碳素钢ns≥1.6低合金钢ns≥2.0b）基础环、盖板和筋板碳素钢[σ]=147Mpa低合金钢[σ]=170Mpa一、总则：7．载荷组合系数K因素：长期载荷效应与短期载荷效应不同。方法：是在应力组合后，其许用应力（强度或稳定）乘以一个等于1.2的载荷组合系数K。在地震载荷、风载荷的作用下，计算壳体和裙座的组合拉、压应力时，由于载荷为短期作用载荷，许用应力值可以提高1.2倍，即许用应力值在原来受压构件许用应力基础上乘一个系数K=1.2。二、结构：1.裙座的型式：分为圆筒形和圆锥形两种。要求：圆锥形裙座的半锥顶角不超过15°；无论圆筒形或圆锥形裙座壳其名义厚度不得小于6mm。选择：1）一般选圆筒形裙座；2）下列情况之一时，可考虑选用圆锥形裙座:a.由于地脚螺栓数量多，且需保持一定的螺栓间距；b.需增加裙座筒体的截面惯性矩；c.需降低混凝土基础顶面的压应力。二、结构：2.筒体与裙座的连接型式分为对接和搭接两种，1.对接要求：裙座壳体外径与塔体封头外径相等。焊接接头型式：标准中没有明确要求。SH3098中，下列情况应开坡口：1）可能引起横向振动的高塔（H/D20);2）塔釜为低温操作的塔式容器；3）裙座与下封头焊缝可能产生热疲劳时；4）裙座名义厚度≥8mm时。二、结构：2.筒体与裙座的连接型式2.搭接：分为搭接在封头与搭接在筒体上两种。□搭接在封头时，应位于直边段，搭接焊缝距封头、筒体环焊缝为1.7～3倍裙座壳体厚度范围；□搭接在筒体上时，距环焊缝不少于1.7倍筒体壁厚，环焊缝需磨平，且100％无损检测；□搭接接头的角焊缝应填满。二、结构：3.当塔壳封头由多块板拼接制成时，拼接焊缝处的裙座壳应开缺口，如下图所示。（尺寸见表7－3）二、结构：4.当塔式容器下封头的设计温度大于或等于400℃时，应设置隔气圈。如图所示。当塔内操作温度较高或温度变化比较激烈时，裙座与塔壳的连接焊缝处产生较大的温差应力，造成破坏。隔气圈起空气隔离作用，缓解了焊缝处温差应力过高，或温差变化过大的情况。隔气圈结构见标准图7-6、图7-7，隔气圈至封头切线的尺寸L可参照标准释义表3-1。为确保设备的安全运行，有条件时最好进行温度场和疲劳分析。二、结构：5.裙座排气孔（当裙座有缺口时，可不设）：塔式容器操作过程中，可能有气体逸出积聚在裙座与塔底封头之间的死区中，它们有些是易燃，另外的气体，有些是具有腐蚀作用的气体，会危及塔器正常操作或检修人员的安全，故设置排气孔，如图所示。排气孔在裙座有保温或防火层时，应改为排气管。规格和数量见表7－4。二、结构：6.地脚螺栓座1）结构1：由基础环、筋板、盖板和垫板组成，结构如图所示，该结构适用于予埋地脚螺栓和非予埋地脚的情况。二、结构：2）结构2：为中央地脚螺栓座结构，优点是地脚螺栓中心圆直径小，用于地脚螺栓数量较少，需予埋。对塔高较小的塔式容器，地脚螺栓座可简化成单环板结构。优点：结构简单；缺点：地脚螺栓座整体强度不足。二、结构：7.吊柱及吊耳：（1）吊柱：根据需要，可在塔顶设置吊柱。（7.9.1）□目的：为方便的安装和拆卸内件、填料等；□吊柱选用的标准：HG/T21639《塔顶吊柱》；□安装位置：应满足吊柱中心线与人孔中心线有合适的夹角。（2）吊耳：根据需要，可在塔顶设置吊柱。（7.9.1）□目的：整体吊装；□吊耳选用的标准；□计算。三、计算：1.计算内容：□计算内容：自振周期；|地震载荷：水平地震力和垂直地震力；|（计算截面弯矩）风载荷：顺风向风振和横风向风振；|塔的挠度计算等四部分。□应力校核：壳体轴向应力校核；裙座壳轴向应力校核；地脚螺栓座计算；裙座与塔壳连接焊缝校核；塔体法兰当量设计压力等。三、计算：1.计算内容：□计算时所需准备计算条件：（1）工艺必要的给定条件（2）塔设备设置地区的条件－设置地区的基本风压值，地震设防烈度，设计基本地震加速度，场地土类别等。地震设防烈度，设计基本地震加速度可按GB50011-2001《建筑抗震设计规范》（替代GBJ11-1989）设计地震分组－－近震、远震基本风压值－可按GB50009-2001《建筑结构载荷规范》GBJ17-1988《钢结构设计规范》中基本风压值取所在地10m高度30年一遇10min最大平均风速为基本风速；GB50009改为50年一遇。基本风压值计算公式：（3）塔体的设计压力、设计温度，塔体（包括封头）材料及厚度附加量，裙座材料及厚度附加量，塔壳焊接接头系数，塔体与裙座的焊接结构等。（4）偏心悬挂的附属设备的重量确定（最小、操作及最大重量）。20021q三、计算：1.计算内容：□计算时所需准备计算条件：（5）确定危险截面位置。一般来说，危险截面为下述截面。a.塔器裙座底截面。b.裙座上开设人孔、手孔、引出管孔的中心位