第八章-塔设备强度设计计算

第八章塔设备强度设计计算主要内容：了解塔所承受载荷的特点。熟悉塔体和裙座承受的各项载荷计算及强度校核步骤。能够确定塔体和裙座体危险截面，并掌握塔体壁厚的校核方法。一、塔体强度计算室外H/D较大的塔，操作压力、质量载荷、风载荷、地震载荷偏心载荷等㈠按设计压力计算筒体及封头壁厚按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内压塔，周向及轴向拉应力；外压塔，周向及轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。２．质量载荷塔设备质量包括：m1:塔体和裙座质量；m2:内件；m3:保温材料；m4:平台、扶梯质量；m5:操作时塔内物料质量；ma:人孔、接管、法兰等附件质量；me:偏心；mw:液压试验时，塔内充液质量；操作停修或水压试验等不同工况物料或充水质量。m1:塔体和裙座质量；m2:内件质量；m3:保温材料质量；m4:平台、扶梯质量；m5:操作时塔内物料；ma:人孔、接管等附件；me:偏心质量；mw:液压试验塔内充液设备操作时质量：M0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me设备最大质量（水压试验时）：Mmax=m1+m2+m3+m4+mw+ma+me设备最小质量：mmin=m1+0.2m2+m3+m4+ma+me0.2m2:部分内件焊在塔体空塔吊装，如未装保温层、平台、扶梯等，则mmin应扣除m3和m4。3.风载荷室外自支承塔为悬臂梁。产生风弯矩，迎风面拉应力，背风面压应力。塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于风向的诱发振动弯矩。只在塔H/D较大、风速较大时较明显，一般可忽略。考虑两弯矩矢量叠加。（1）水平风力的计算迎风面产生风压。与风速、空气密度、地区和季节有关。各地离地面10m处30年一遇10分钟内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。风速随地面高度而变化。塔高于10m，应分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘以高度变化系数fi，见表4-27。风压还与塔高度、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：Pi-水平风力；q0-基本风压值，见表4-26，但均不应小于250N/ｍ2；fi-风压高度变化系数，表4-27Li-第计算段长度；Dei-塔各计算段有效直径；K1-体型系数，圆柱直立设备0.7K2i-各计算段风振系数，602110eiiiiiDLfqKKPz-脉动增大系数，按表4-28查取；Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查fzi-第i段振型系数，根据Hi/H与m查表4-30；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，iziiifvKf12（2）风弯矩任意截面的风弯矩：602110eiiiiiDLfqKKP一般习惯自地面起每隔10m一段，风压定值。求出风载荷Pi22221211iiiiiiiiiiiwLLLPLLPLPM等直径、等壁厚塔体和裙座，风弯矩最大值为最危险截面。变截面塔体及开有人孔的裙座体，各个可疑的截面各自进行应力校核。图中0-0、1-1、2-2各截面都是薄弱部位，可选为计算截面。4.地震载荷地震烈度七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷。地震波作用下：水平方向振动、垂直方向振动、扭转其中以水平方向振动危害较大。计算地震力时，仅考虑水平地震力，并把塔设备看成是悬臂梁。（1）水平地震力实际全塔质量按全塔或分段均布。计算地震载荷与计算风载荷一样，将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集中于该段1/2处FK1-mK引起的基本振型水平地震力Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；mK-距离地面hK处的集中质量；hK1-基本振型参与系数，a1-对应与塔基本自振周期T1的地震影响系数a值。有多种振型，任意高度hK处集中质量mK引起基本振型的水平地震力gmCFKKzK111haniiiniiiKKhmhmh1315.15.11h（2）垂直地震力防烈度8度或9度的塔应考虑垂直地震力塔底截面处垂直地震力：avmax-垂直地震影响系数最大值，avmax=0.65amaxmeq-塔设备的当量质量，meq=0.75m0任意质量i处垂直地震力：gmFeqmax00aniFhmhmFnkkkiiii,,2,1001（3）地震弯矩任意截面i-i基本振型地震弯矩：等直径、等厚度塔的任意截面i-i和底截面0-0的基本振型地震弯矩：H/D15，或高度大于等于20m时，考虑高振型niKKiiEihhFM11gHmCMzEi01003516a5.35.25.35.201414101758hhHHHgmCMziiEiaiiEiiiEMM25.15.偏心载荷塔外附属设塔顶冷凝器偏心安装塔底外侧悬挂再沸器偏心载荷引起轴向压应力和轴向弯矩Me，gemMee㈢圆筒的应力1．塔设备由内压或外压引起的轴向应力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）eiicDp41eiiiiviiDFgm023．最大弯矩在筒体内引起的轴向应力风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩Me。最大平均风速和可能出现的最大地震烈度，同时达到最大值的几率极小。通常操作下最大弯矩按下式取值：)(25.0max取大值eiiWiiEeiiWiiMMMMMM最大弯矩在筒体中引起轴向应力水压试验时间人为选定且时间较短，在实验情况下最大弯矩取值eiiWiiMMM3.0maxeiiiiDM2max34㈣筒体壁厚效核１．最大轴向组合应力的计算内压塔设备外压塔设备正常操作停修正常操作停修迎风背风迎风背风迎风背风迎风背风应力状态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：②最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即：iiii321max)(32maxiiii（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：②最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：)(321maxiiiiiiii32max2.强度与稳定性校核根据正常操作或停车检修时的各种危险情况，求出最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，表4-34。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。名称强度校核稳定性校核周向最大拉应力max≤K[]tf轴向最大压应力max≤K[]t≤K0.06Etei/RiK为载荷组合系数，取K=1.2。表4-34轴向最大应力的校核条件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②最大组合轴向拉应力seiieiiweiiiieiiiKDMMDgmDp9.0785.03.042maxmax(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K为载荷组合系数，取K=1.2。塔体，最大风弯矩引起的弯曲应力3i-i发生在截面2-2上。裙座，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。)(06.09.0785.03.012maxmax取小值RKEKDMMDgmeiseiieiiweiiii二、裙座按所支承设备的高度与直径比，裙座分成两种：一种是圆筒形，一种是圆锥形。圆筒形裙座制造方便和节省材料，被广泛采用。圆锥形裙座：地角螺栓较多和基础环承受面积较大，承受较大风载荷和地震载荷。群座体（Q235-A或16Mn）、基础环板、螺栓座、基础螺栓,(一)圆筒形群座体壁厚的验算先参照筒体厚度试取一群座体壁厚δs验算危险截面的应力，群座体底截面和人孔截面组合应力满足条件后，壁厚附加、圆整(二)基础环板设计1、基础环板内、外径2、基础环板厚度,背风侧外缘压应力大，组合轴向压应力（1）基础环板上无筋板基础环板厚度不小于16mm基础环板厚度不小于16mm（2）基础环板上有筋板Ms—计算力矩，按表4-35计算Mx和My，取绝对值较大（三）地脚螺栓迎风侧可能出现零值甚至是拉应力基础面上由螺栓承受的最大拉应力为σB≤0塔自身稳定，固定位置加螺栓σB0，必须设地脚螺栓，螺纹小径地脚螺栓个数取4的倍数，小直径塔取6个，圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24（四）群座与塔底封头焊接结构对接焊缝压应力，轴向载荷较高，一般用于大型塔，搭接焊缝受剪应力，一般用于小型塔1、群座体与塔体对接焊缝J-J截面的拉应力校核2、群座体与塔体搭接焊缝J-J截面的剪应力校核思考题：1.自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷？2.简述内压塔操作时的危险工况及强度校合条件。