第5章 塔设备设计

5.1 塔设备的分类和总体结构

5.1.1 塔设备的分类

塔设备的分类方法很多。按单元操作可分为精料塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等；最常用的是按塔的内件结构分为板式塔(图5-1)和填料塔(图5-2)两大类。板式塔和填料塔的特点见表5-l。

表5-1 塔的主要类型及特点

类 型 板 式 塔 塔内设置有多层塔板 结构特点 每层板上装配有不同型式的气液接触元件，如泡罩、浮阀等 填 料 塔 塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等 填料为气液接触的基本元件 微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作 空塔速度（亦即生产能力）低 小塔径、小填料的塔效率高。直径大效率低 压力降小 要求液相喷淋量较大 持液量小 造价比板式塔便宜 检修清理困难 可采用非金属材料制造 处理强腐蚀性物料 液气比大 真空操作要求压力降小 操作特点 气液逆流逐级接触 空塔速度（亦即生产能力）高 效率稳定 设备性能 压力降大 液气比的适应范围大 持液量大 直径在600mm以下的塔安装困难 制造与维修 检修清理容易 金属材料耗量大 处理量大 适用场合 操作弹性大 带有污垢的物料

5.1.2 塔设备的总体结构

塔设备的总体结构均包括：塔体、内件、支座及附件。

塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。当塔体直径大于800mm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连接起来。

内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成。 支座常用裙式支座。

附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。

图5-1 板式塔

1—吊柱；2—排气口；3—回流液入口；4—精馏段塔盘； 5—壳体；6—进料口；7—人孔； 8—提馏段塔盘；

9—进气口；10—裙座； 11—排液口；

12—裙座人孔

图5-2 填料塔

1—吊柱；2—排气口；3—喷淋装置；4—壳体； 5—液体再分配器；6—填料；7—卸填料人孔；

8—支撑装置；9—进气口；10—排液口；

11—裙座； 12—裙座人孔

5.2 塔设备设计的内容和步骤

5.2.1 塔设备设计的内容

塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。

塔设备设计任务书内容和格式常按表5-2。

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表5-2 塔设备设计任务书

简图与说明 比例 工作压力，MPa 设计压力，MPa 工作温度，℃ 设计温度，℃ 介质名称 介质密度，kg/m3 传热面积， m2 基本风压，N/m2 地震基本烈度 场地类别 塔形 塔板数目 塔板间距 腐蚀速率 接管表 符号 a1.2 b1.2 c d1.2 e1.2 f 公称尺寸 DN 32 450 100 25 450 连接面 形 式 突面 突面 突面 突面 突面 用 途 符 号 人 孔 温度计 进气口 加料口 压力计 排气口 g h1~4 i1，2 j k1~8 公称尺寸 连接面 DN 100 25 15 125 450 形 式 突面 突面 突面 突面 突面 用途 回流口 取样口 液面计 出料口 人孔 1.0 1.1 170 200 800 400 8 Ⅱ 70 设计参数及要求 设计寿命 填料形式、规格、容积 填料的密度，kg/m3 填料的堆积方式 浮阀（泡罩）规格/个数 浮阀（泡罩）间距，mm 保温材料厚度， 保温材料密度，kg/m3 塔盘上存留介质层高度 壳体材料 内件材料 裙座材料 偏心质量 偏心距 100 300 100 16MnR Q235-A 4000 2000 条 件 内 容 修 改 修改标记 备注 单位名称 设计项目 设备图号 提 出 人 修改内容 签字 日期 工程名称 条件编号 位号/台数 日 期 修改标记 修改内容 签字 日期 5.2.2塔设备设计的步骤

在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行塔设备的机械设计。

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5. 2. 2. 1 进行强度、刚度和稳定性计算

包括如下内容：

1 了解设计条件； ○2 选材； ○

3 按设计压力计算塔体和封头壁厚； ○

4 塔设备质量载荷计算； ○

5 风载荷与风弯矩计算； ○

6 地震载荷与地震弯矩计算； ○

7 偏心载荷与偏心弯矩计算； ○

8 各种载荷引起的抽向应力； ○

9 塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核； ○

10 塔体水压试验和吊装时的应力校核； ○

11 基础环设计； ○

12 地脚螺栓计算。 ○

5.2.2.2 进行结构设计

(1) 板式塔结构设计内容如下： ① 塔体与裙座结构；

② 塔盘结构是板式塔的主要结构部分，包括塔盘板，降液管，溢流堰，紧固件和支承件等；③ 除沫装置，用于分离气体中夹带的液滴，多位于塔顶出口处；

④ 设备接管，包括用于安装、检修塔盘的人(手)孔，气体和物料进出口的接管，以及安装化工仪表的接管等；

⑤ 塔附件，包括支承保温材料的保温圈，吊装塔盘用的吊柱以及扶梯、平台等。 (2) 填料塔结构设计内容如下： ① 塔体与裙座结构； ② 喷淋装置； ③ 液体再分布器； ④ 填料支承结构； ⑤ 塔附件。

5.3塔设备的强度和稳定性计算

根据课程设计的特点，着重介绍等截面、等壁厚塔设备的设计计算。 5.3.1塔设备的载荷分析和设计准则

塔设备在操作时主要承受的以下几种载荷作用：操作压力、质量载荷、地震载荷、风载荷、偏心载荷。各种载荷示意图及符号见图5-3。

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图 5-3 塔设备各种载荷示意图及符号 (a)质量载荷；(b)地震载荷；(c)风载荷；(d)偏心载荷

塔设备的强度和稳定性计算通常按下列步骤计算。

① 根据GBl50-1998相应章节或参考文献1第十一章，按压力确定圆筒有效厚度e及 封头的有效厚度eh；

② 根据地震和风载的需要，选取若干计算截面(包括所有危险截面)，并考虑制造、安装、

es6mm； 运输的要求，设定各截面处圆筒有效厚度ei与裙座有效厚度es。应满足eie，

③ 根据自支承式塔设备承受的质量载荷、风载荷、地震载荷及偏心载荷的作用，依次进行校核和计算，并应满足各相应要求，否则需重新设定圆筒的有效厚度ei，直至满足全部校核条件为止。

塔设备设计计算常用符号及说明见表5-3。 5.3.2 质量载荷

塔设备的操作质量m0(kg)：m0m01m02m03m04m05mame 塔设备的最大质量mmax(kg)：mmaxm01m02m03m04m05mame 塔设备的最小质量mmin(kg)：mminm010.2m02m03m04m05mame

（5-1） （5-2） （5-3）

式5-3中的0.2m02系考虑焊在壳体上部分内构件的质量，如塔盘支持圈、降液管等。当空塔起吊时，如未装保温层、平台、扶梯，则mmin应扣除m03和m04。式中的壳体和裙座质量m01按求出的壳体名义厚度n、封头名义厚度nh及裙座名义厚度ns计算，也可分段计算。部分塔设备零部件，若无实际资料，可参考表5-4，计算中注意单位统一。

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表5-3 塔设备设计计算常用符号及说明

符号 B Di Dib DO DOb DOS dO e E fi 符号说明 系数，按GB150相关章节，MPa 塔设备壳体内直径，mm 基础环内直径，mm 塔设备壳体外直径，mm 基础环外直径，mm 裙座壳体外直径，mm 塔顶管线外径，mm 偏心质量重心至塔设备中心线的距离，mm 设计温度下材料的弹性模量，MPa 符号 m01 m02 m03 m04 m05 mi mk meq I-I ME10-0ME1 符号说明 壳体和裙座质量，kg 内件质量，kg 保温材料质量，kg 平台、扶梯质量，kg 操作时塔内物料质量，kg 塔设备第i段的操作质量，kg 距地面hk处的集中质量（见图5-4），kg 塔设备的当量质量，取meq=0.75mo，kg N.mm 任意计算截面I-I处的基本振型地震弯矩，风压高度变化系数，按表5-7选取 00FV 塔设备底截面处的垂直地震力，N FVII 塔设备任意计算截面I—I处垂直地震力，N FKI 集中质量mk引起的基本振型水平地震力，N g 重力加速度，取g=9.81m/s2 H 塔设备高度，mm Hi 塔设备顶部至第i段底截面的距离，mm hit 塔设备第i段顶截面距地面的高度，mm hi 塔设备第i段集中质量距地面的高度，mm Ii、Ii-1 第i段、第i-1段的截面惯性矩，mm4 K 载荷组合系数，取K=1.2 K1 体形系数，取K1=0.7 K3 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mm K4 li l0 操作平台当量宽度，mm 第i计算段长度（见图5-7），mm 操作平台所在计算段的长度，mm 人孔、接管、法兰等附属件质量，kg 偏心质量，kg 塔设备操作质量，kg 液压实验时，塔设备内充液质量，kg 底截面0-0处的地震弯矩，N.mm M 任意计算截面I—I处的风弯矩，N.mm 0-0MW 底截面0-0处的风弯矩，N.mm I-IMmax 任意计算截面I—I处的最大弯矩，N.mm q0 基本风压值，N/m2 b 基础环计算厚度，mm e 圆筒的有效厚度，mm eh 封头的有效厚度，mm es 裙座的有效厚度，mm n 圆筒的名义厚度，mm nh 封头的名义厚度，mm ns 裙座的名义厚度，mm ps 管线保温层厚度，mm I-IWma me m0 mw si 1 2 3  cr  塔设备第i段保温层厚度，mm 由内压和外压引起的轴向应力，MPa 重力及垂直地震力引起的轴向应力，MPa 最大弯矩引起的轴向应力，MPa 试验压力引起的周向应力，MPa 设计温度下圆筒的许用轴向压应力，MPa 试验介质的密度（用水时γ=0.001kg/m3） 表5-4 塔设备零部件质量载荷估算表

名 称 质量载荷 名 称 质量载荷 笼式扶梯 40kg/m 筛板塔盘 65 kg/m2 开式扶梯 15~24 kg/m 浮阀塔盘 75 kg/m2 钢制平台 150 kg/m2 塔盘填充液 70 kg/m2 圆泡罩塔盘 150 kg/m2 保温层 30 kg/m 舌形塔盘 75 kg/m2 瓷环填料 700 kg/m 5.3.3 自振周期

分析塔设备的振动时，一般情况下不考虑平台与外部接管的作用以及地基变形的影响，而将塔设备看成是顶端自由，底端刚件固定，质量沿高度连续分布的悬臂梁。其基本震型的自振周期T1 (s)按式(5-4)计算：

5.3.4地震载荷

当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。安装在七度或七度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出它的地震载荷。

T190.33Hm0H103 3EeDi（5-4）

5.3.4.1 水平地震力

任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型水平地震力Fk1按式(5-5)计算：

式中

FK1CZ1k1mkg，N

CZ ---- 综合影响系数，取CZ＝0.5；

mk ---- 距地面hk处的集中质量(见图5-4)，kg；

（5-5）

1 ----- 对应于塔设备基本自振周期T1的地震影响系数值；

 ------ 地震影响系数，查图5-5。图中的曲线部分按式(5-6)计算，但不得小于0.2max；

Tgmax

T0.9（5-6）

max -- 地震影响系数的最大值，见表5-5；

Tg ----- 各类场地土的特征周期，见表5-6；

k1 ---- 基本振型参与系数；

h1.5k

k1mhi1i1nmh3iin1.5ii （5-7）

图5-4 水平地震力计算简图 图5-5 地震影响系数α

表5-5 地震影响系数最大值

设计烈度 7 0.23 8 0.45 9 0.90 场地土 Ⅰ Ⅱ 表5-6 场地土的特征周期Tg

近振 0.2 0.3 远振 0.25 0.4 场地土 Ⅲ Ⅳ 近振 0.4 0.65 远振 0.55 0.85 max 5.3.4.2 垂直地震力

地震烈度为8度或9度地区的塔设备还应考虑向上和向下两个方向垂直地震力作用，见图 5-6。

塔设备底截面处的垂直地震力FV00按式(5-8)计算：

FV00vmaxmeqg （5-8）

式中

vmax - 垂直地震影响系数最大值，取vmax=0.65max；

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meq --- 塔设备的当量质量，取meq＝0.75m0，kg。

任意质量i处垂直地震力FV按式(5-9)计算：

I-IFVI-ImihimhkinFV00 （i=1,2，……n） （5-9）

kk5.3.4.3 地震弯矩

塔设备任意计算截面J—J处基本振型地震弯矩M旨，按式(5-10)计算

MIIE1Fk1hk1h （i=1，2，……n）

kin（5-10）

对于等直径、等壁厚塔设备的任意截面I-I和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式(5-11)和式(5-12)计算：

8CZ1m0g10H3.514H2.5•h4h3.5（5-11） 2.5175H1600MECZ1m0gH （5-12） 135当塔设备HD15，或H20m时还需考虑高振型的影响，在进行稳定和其他验算时，

IIME1也可按式（5-13）计算：

IIIIME1.25ME1 （5-13）

5.3.5风载荷

塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吹到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加面增加。为计算简便，将风压值按塔设备高度分为几段，假设每段风压值各自均匀分布于塔设备的迎风面上，如图5-7所示。塔设备的计算截面应选取在其较薄弱的部位，如：塔设备的底部截面0—0、裙座上人孔或较大管线引出孔处的截面h—h、塔体与裙座连接焊缝处的截面2—2，见图5-7所示。两相邻计算截面区间为一计算段；任一计算段的风载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。任一计算段风载荷的大小，与设备所在地区的基本风压值q0有关，同时也和设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。 5.3.5.1 水平风力

两相邻计算截面间的水平风力按式(5-14)计算：

6P1K1K21q0f1l1De110

P2K1K22q0f2l2De2106……PiK1K2iq0filiDei106 （5-14）

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式中

Pl、P2、……Pi ——-塔设备各计算段的水平风力，N； De1、De2、……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：

DeiDOi2siK3K4dO2Ps

当笼式扶梯与塔顶管线布置成90°时，取下列两式中较大者：

（5-15）

DeiDOi2siK3K4

DeiDOi2siK4dO2Ps

DOi -------- 塔设备各计算段的外径，mm；

（5-16） （5-17）

K21、K22……K2i——塔设备扦计算段的风振系数，当塔高H20m时，取K2i1.70，

当H20m时，按式(5-18)计算：

表5-7 风压高度变化系数fi

距地面高度 hit 5 10 15 20 30 40

注：A类地面粗糙度系指近海海面、海岛、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。

A 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 地面粗糙度类型 B 0.80 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 C 0. 0.71 0.84 0.94 1.11 1.24 距地面高度 hit 50 60 70 80 90 100 A 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 地面粗糙度类别 B 1.67 1.77 1.86 1.95 2.02 2.09 C 1.36 1.46 1.55 1. 1.72 1.79 K2i1izifi （5-18）

fi -------- 风压高度变化系数，按表5-7查取；

 ------ 脉动增大系数，按表5-8查取；

i ------ 第i段脉动能响系数，按表5-9查取；

----- 第i段振型系数，根据hiH与u查表5-10； Φzi

K3 ------ 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3400m； K4 ------ 操作平台当量宽度，mm；

K42Al0

2

（5-19）

A - 第i段内平台构件的投影面积(不计空档投影面积)，mm；

li ------- 第i计算段长度(见图5-7)，mm；

l0 ------- 操作平台所在计算段的长度，mm；

q0 ------- 基本风压值，kN／m：；各地区的基本风压值按《全国基本风压分布图》或按当

地气象部门资料确定。

PS ---- 管线保温层厚度，mm；

si ----- 塔设备第i段保温层厚度，mm。

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表5-8 脉动增大系数ξ

q1T12,Ns2m2 10 20 40 60 80 100 200 400 600 800 1000 2000 4000 6000 8000 10000 20000 30000  1.47 1.27 1.69 1.77 1.83 1.88 2.04 2.24 2.36 2.46 2.53 2.80 3.09 3.28 3.42 3. 3.91 4.14 2注：计算q1T1时，对B类取q1q0，对A类q11.38q0，对C类q10.71q0。

表5-9脉动影响系数υi

粗糙度类别 A B C 10 0.78 0.72 0.66 20 0.83 0.79 0.74 高度hit，m 40 60 0.87 0. 0.85 0.88 0.82 0.86 80 0. 0. 0.88 100 0. 0.90 0. 表5-10 振型系数Zl

相对高度hitH 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 顶、底有效直径比u 1 0.8 0.6 0.02 0.02 0.01 0.07 0.06 0.05 0.15 0.12 0.11 0.24 0.21 0.19 0.35 0.32 0.29 相对高度hitH 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 顶、底有效直径比u 1 0.8 0.6 0.48 0.44 0.41 0.60 0.57 0.55 0.73 0.71 0.69 0.87 0.86 0.85 1.00 1.00 1.00 5.3.5.2 风弯矩

塔设备任意计算截面I—I处的风弯矩MW按式（5-20）计算：

IIMWPiIIlillPi1lii1Pi2lili1i2...... 22200（5-20）

塔设备底截面0—0处的风弯矩MW按式（5-21）计算：

5.3.6 偏心弯矩

当塔设备的外侧悬挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时，可将其视为偏心载荷。由。于有偏心距e的存在，偏心载荷在塔截面上引起偏心弯矩Me。偏心载荷引起偏心弯短沿塔高无变化，可按式(5-22)汁算：

5.3.7 最大弯矩

塔设备任意计算截面I—I处的最大弯矩Mmax按式（5-23）计算：

II00MWP1ll1lP2l12P3l1l23...... 222（5-21）

Memege

（5-22）

MIImaxIIMWMe 取其中较大值 IIIIME0.25MWMe00（5-23）

塔设备底部截面0-0处的最大弯矩Mmax按式(5-24)计算：

58

M00max00MWMe 取其中较大值 0000ME0.25MWMe（5-24）

5.3.8 圆筒轴向应力核核

校核圆简轴向应力，使之满足稳定条件。 5.3.8.1 圆筒轴向应力

圆筒任意计算截面I—I处的轴向应力分别铵式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）计算： 由内压和外压引起的轴向应力1：

i1pD4 ei其中设计压力p取绝对值。

操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的铀向应力2： mIIII0gFV2D

iei其中FIIV仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

最大弯矩引起的轴向应力3： I

4MImax3D

iei5.3.8.2 圆筒稳定校核

圆筒许用轴向压应力cr按式(5—28)确定：

=KBcrKt 取其中较小值

圆筒最大组合压应力按式(5-29)或式(5-30)校核： 对内压塔器 2+3cr

对外压塔器

12+3cr

5.3.8.3 圆筒拉应力校核

圆筒最大组合拉应力按式(5-31)或式（5-32）校核： 对内压塔器

12+3Kt

对外压塔器 t2+3K

如校核不能满足条件时，须重新设定有效厚度ei，重复上述计算，直至满足要求。

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5-25）

5-26）

5-27）

5-28）

5-29） 5-30）

5-31） 5-32）

（（（（（（（（5.3.9 塔设备压力试验时的应力校核 5.3.9.1 圆筒应力

对选定的各计算截面按式(5-33)、式(5-34)、式(5-35) 和式(5-36)进行各项应力计算： 试验压力引起的周向应力T： 式中

pTHT9.81Diei

2ei（5-33）

 ------ 试验介质的密度(当介质为水时，0.001kgcm3)，kgcm3；

H ------- 液柱高度，cm。

气压试验时，无液柱静压力。 试验压力引起的轴向应力T1：

重力引起的轴向应力T2： 式中

T1pTDi 4ei（5-34）

T2IImTg Diei（5-35）

IImT -- 液压试验时，计算截断I—I以上的质量(只计入塔壳、内构件、偏心质量、保

温层、扶梯及平台质量)，kg。 弯矩引起的轴向应力T3：

T3II40.3MWMeD2iei （5-36）

5.3.9.2应力校核

压力试验时，圆筒材料的许用轴向压应力cr按式（5-37）确定：

KB cr= 取其中较小值

0.9Ks（5-37）

压力试验时，圆筒最大组合应力按以下公式校核： 液压试验时： T0.9s 气压试验时： T0.8s

（5-38） （5-39） （5-40） （5-41）

液压试验时： T1T2+T30.9Ks 气压试验时： T1T2+T30.8Ks

60

T2+T3cr

（5-42）

5.3.10 裙座轴向应力校核

塔设备常采用裙座支承。并根据承载不同，分为圆筒形和圆锥形两种。由于圆筒形裙座。制造方便，采用极为广泛。但需配置较多的地脚螺栓和具有足够大求载由积的基础环，以防止由于风载荷或地震载荷所引起的弯矩而造成翻倒。若经应力校核不能满足，只能选用圆锥形裙座支承。这里重点介绍圆筒形裙座。

圆筒形裙座轴向风力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面 (0-0)或裙座检查孔和较大管线引出孔(h—h)截面处(见图5-8)。然后按裙座有效厚度es验算危险截面的应力。

5.3.10.1 裙座底截面的组合应力

裙座底截面的组合应力按式(5-43)和式(5-44)校核：

II00Mmaxm0gFV00KBt 取其中较小值 ZsbAsbKs（5-43）

其中Fv 式中

仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

000.3MmaxMemmaxgKB 取其中较小值

ZsbAsb0.9s（5-44）

Asb ---- 裙座底部截面积，AsbDiss，mm2；

42Diss，mm3。

Zsb ---- 裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，Zsb5.3.10.2裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力

裙座检查孔和较大管线引出孔(见图5-8)h—h截面处组合应力按式（5-47）和式（5-48)校核： 其中Fv 式中

61

hhhhm0hhgFVhhMmaxKBt 取其中较小值 ZsmAsmKs（5-47）

仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

hhhh0.3MWMemmaxgKB 取其中较小值

0.9ZsmAsms（5-48）

bm ----- h-h截面处水平方向的最大宽度，mm； Dim ---- h-h截面处裙座壳的内直径，mm；

FVhh -- h-h截面处的垂直地震力。但仅在最大弯短为地震弯矩

参与组合时计入此项，N；

lm ------ 检查孔和较大管线引出孔加强管长度，mm；

hhMmax - h-h截面处的最大弯矩，N·mm； hhMW - h-h截面处的风弯矩，N·mm；

hhmmax -- h-h截面以上塔设备压力试验时的质量，kg； hhm0 -- h-h截面以上塔设备的操作质量，kg；

m ----- h-h截面处加强管的厚度(见图5-8)，mm； Asm --- h-h截面处裙座的截面积，mm2；

AsmDimesbm2mmAm

（5-49） （5-50）

Asm2lmm

Zsm --- h-h截面处的裙座壳截面系数，mm3；

Zsm2DimesbmDimesZm 42Dimbm 2222（5-51）

Zsm2eslm（5-52）

如校核不能满足条件时，须重新设定裙座壳有效厚度ei，重复上述计算，直至满足要求。5.3.11 地脚螺栓座 5.3.11.1 基础环设计

(1)基础环内、外径(见图5-9、图5-10)可参考式(5-53)、式(5-)选取：

DObDis(160400) DObDis(160400)

（5-53） （5-）

(2)基础环厚度按式(5-55)或式(5-56)计算： ①无筋板时(见图5-9)基础环厚度为 式中

b1.73bbmax b（5-55）

b -- 基础环材料的许用应力，MPa;

对低碳钢取b=140MPa；

62

bmax - 混凝土基础上的最大压力，MPa；

00Mmaxmg0AbZb 取其中较大值 0.3M00MmgWemaxZbAb

bmax（5-56）

②有筋板时（见图5-10）基础环厚度为

bb6Ms （5-57）

式中 Ms ---- 计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩MX、MY中绝对值较大者，MX、MY按

表5-11计算。

无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于l6mm。

表5-11 矩形板力矩计算表

bl 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 bMx(xy0) 0My(xy0) bl 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 bMx(xy0) 0My(xy0) 0.500bmaxb2 0.0000bmaxl2 0.0485bmaxb2 0.0430bmaxb2 0.0384bmaxb2 0.126bmaxl2 0.127bmaxl2 0.490bmaxb2 0.0006bmaxl2 0.448bmaxb2 0.0051bmaxl2 0.385bmaxb2 0.0151bmaxl2 0.129bmaxl2 0.0345bmaxb2 0.130bmaxl2 0.130bmaxl2 0.319bmaxb2 0.0293bmaxl2 0.260bmaxb2 0.0453bmaxl2 0.212bmaxb2 0.0610bmaxl2 0.0312bmaxb2 0.0283bmaxb2 0.0258bmaxb2 0.0236bmaxb2 0.0217bmaxb2 0.131bmaxl2 0.132bmaxl2 0.173bmaxb2 0.0751bmaxl2 0.142bmaxb2 0.0872bmaxl2 0.118bmaxb2 0.0972bmaxl2 0.0995bmaxb2 0.0846bmaxb2 0.132bmaxl2 0.132bmaxl2 0.0200bmaxb2 0.133bmaxl2 0.0185bmaxb2 0.133bmaxl2 0.105bmaxl2 0.112bmaxl2 0.116bmaxl2 0.120bmaxl2 0.0171bmaxb2 0.133bmaxl2 0.0159bmaxb2 0.0149bmaxb2 0.0726bmaxb2 0.0629bmaxb2 0.5500bmaxb2 0.133bmaxl2 0.133bmaxl2 0.123bmaxl2 0.0139bmaxb2 0.133bmaxl2 注：l为两相邻筋板最大外侧间距（见图5-10）。

5.3.11.2 地脚螺栓

地脚螺栓座相关尺寸见图5-11。

地脚螺拴承受的最大拉应力B按式(5-58)计算：

00MWMemmingZbAb 取其中较大值 B000000ME0.25MWMem0gFVZsmAb （5-58）

63

其中Fv式中

00仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

B ---- 地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa；

Ab ----- 基础环面积，mm2；

AbZb ----- 基础环截面系数，mm3。

D42Ob2Dib

（5-59）

Zb44DObDib32DOb （5-60）

图5-11 地脚螺栓座尺寸

当B0时，塔设备可自身稳定，但为固定其位置，应设置一定数量的地脚螺栓。 当B0时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径可按式(5-61)计算： 式中

d1d1 ----- 地脚螺栓螺纹小径，mm；

4BAbC2

nbt（5-61）

C2 ----- 地脚螺栓腐蚀裕量，mm；取C2＝3mm；

N ------- 地脚螺栓个数，一般取4的倍数，最小直径塔设备可取n＝6； 对Q235A，取bt147MPa；对16Mn，取bt170MPa； 圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24。

5.3.11.3 筋板

筋板的压应力按式(5-62)计算： 式中

GG ---- 筋板的压应力

Fn1Gl2 （5-62）

F

一个地脚螺栓承受的最大拉力，FBAbn，N；

n1 ------ 对应一个地脚螺栓的筋板个数；

l2 ------ 筋板宽度，mm；

G ----- 筋板厚度，mm。

筋板的许用压应力c按式(5-)或式(5-65)计算：

当c时

当c时

式中

E ------- 筋板材料的弹性模量；

c10.4c2G （5-）

c0.277Gc2 （5-65）

c -- 筋板的许用压应力，MPa；

 ------ 细长比，按式(5-66)计算，且不大于250；

0.5lk ii -------- 惯性半径，对长方形截面的筋板取0.2G，mm； lk ------ 筋板长度，mm；

（5-66）

c ----- 临界细长比，按式(5-67)计算；

2Ec 0.6G（5-67）

G -- 筋板材料的许用应力，MPa；对低碳钢G140MPa;

 ------ 系数；

2 1.5

3c2（5-68）

筋板的压应力应小于或等于许用应力， 即Gc。但G一般不小于23基础环厚度。5.3.11.4 盖板

① 分块盖板最大应力Z按式(5-69)或式(5-70)计算： 无垫板时

有垫板时

ZFl32

ld23c（5-69）

65

式中

ZFl3

l2d3c2l4d2Z2（5-70）

Z ---- 分块盖板最大应力， MPa； d2 ----- 垫板上地脚螺栓孔直径，mm； d3 ----- 盖板上地脚螺栓孔直径，mm； l2 ------ 筋板宽度，mm； l3 ------ 筋板内侧间距，mm； l4 ------ 垫板宽度，mm； c ----- 盖板厚度，mm； Z ----- 垫板厚度，mm。

一般，分块盖板厚度不小于基础环厚度。 ②环形盖板的最大应力按式(5-71)或式(5-72)计算： 无垫板时

有垫板时

Z3Fl3

4l2d3c2（5-71）

Z3Fl32

4l2d3c24l4d2Z（5-72）

一般环形盖板厚度不小于基础环厚度

盖板最大应力应等于或小于盖板材料的许用应力，即Zz。对低碳钢盖板的许用应力Z140MPa 5.3.12 裙座与塔壳焊缝 5.3.12.1 裙座与塔壳搭接焊缝

搭接焊缝J—J截面处(见图5-12)的剪应力按式(5-73)或式(5-74)校核： 其中 式中

66

JJJJMmaxm0gFVJJt0.8Kw zWAW（5-73）

FvJJ 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

AW ---- 焊缝抗剪断面面积，Aw0.7Dotes，mm2；

Dot ---- 裙座顶部截面的外直径，mm； FvJJ - 搭接焊缝处的垂直地震力，N；

JJMmax 搭接焊缝处的最大弯矩，N·mm；

JJmmax - 压力试验时塔设备的最大质量(不计裙应质量)，kg； JJm0 - J—J截面以上塔设备操作质量，kg；

2ZW ---- J—J焊缝抗剪截面系数，Zw0.55Dotes，mm；

w -- 设计温度下焊接接头的许用应力，取两例母材许用应力的小值，MPa；

t

图5-12 图5-13

5.3.12.2 裙座与塔壳的对接焊缝

对接焊缝J—J截面处(见图5-13)的拉应力按式(5-77)校核： 其中 式中

JJJJ4Mmaxm0gFvJJt0.6KW 2DitDites（5-77）

FvJJ仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

Dit ---- 裙座顶截面内直径，mm。

5.3.13塔设备法兰当量设计压力

当塔设备分段安装采用法兰连接时，考虑内压、轴向力和外力矩的作用，其当量设计压力按式(5-78)确定。

式中

pe16M4Fp 32DGDG（5-78）

pe ----- 法兰的当量设计压力，MPa； DG ---- 垫片压紧力作用中心团直径舰，；

F ------- 轴向外载荷，拉力时计入，压缩时不计，N； P ------- 设计压力，MPa；

M ------ 外力矩，应计入法兰截面的最大力矩Mmax、管线推力引起的力矩和其他机械载

荷引起的力矩，N·mm。

II5.3.14 塔设备设计计算举例

5.3.14.1 塔设备设计任务书（以表5-2所给参数为例） 5.3.14.2 塔设备已知设计条件及分段示意图

首先，选取计算截面（包括所有危险截面）。本例将全塔分成6段。其计算截面分别为0-0、1-1、2-2、3-3、4-4、5-5。

67

已 知 设 计 条 件 塔体内径Di 塔体高度H 设计压力p 设计温度t 材料 许用应力 [σ] [σ]t 设计温度下弹性模量E 常温屈服点σs 厚度附加量C 塔体焊接接头系数Ф 介质密度ρ 塔盘数N 每块塔盘存留介质层高度hw 基本风压值q0 地震设防烈度 场地土类别 偏心质量me 偏心距e 塔外保温层厚度δs 保温层材料密度ρ2 材料 群座 许用应力[σ]st 常温屈服点σs 设计温度下弹性模量Es 厚度附加量Cs 人孔、平台数 材料 地脚螺栓 许用应力 [σ]bt 113MPa 235 MPa 2mm 8 Q235-A 140 MPa 3 32 2000mm 40000mm 1.1MPa 2000C 16MnR 170MPa 170MPa 1.9X10-5 MPa 345 MPa 2mm 0.85 800Kg/m3 70 100mm 400N/m2 8度 Ⅱ类 4000Kg 2000mm 100mm 300 Kg/m3 Q235-A 分 段 示 意 图 塔 体 腐蚀裕量C2 个数n 68

5.3.14.3 塔设备设计计算程序及步骤

按 设 计 压 力 计 算 塔 体 和 封 头 厚 度

计 算 内 容 塔内液柱高度h,m 液柱静压力pH,MPa 计算压力pc,MPa 圆筒计算厚度δ,mm 圆筒设计厚度δc ,mm 圆筒名义厚度δn,mm 圆筒有效厚度δe,mm 封头计算厚度δh,mm 封头设计厚度δhc ,mm 封头名义厚度δhn,mm 封头有效厚度δhe,mm 计 算 公 式 及 数 据 h=2.34(仅考虑塔底至液封盘液面高度) pH106gh1068009.82.340.0180.05p（可忽略） pcppHp1.1 pcDi1.120007. t2[]pc21700.851.1cC7.29. n12 enC12210 hpcDi1.120007.63 2[]t0.5pc21700.850.51.1hchC7.6329.63 hn12 hehnC12210 塔 设 备 质 量 载 荷 计 算

计 算 公 式 及 数 据 0~1 1~2 2~3 2000 12 1000 2000 7000 40000 596 36790 m1=596x36.790=21926.84 m2=438x2=876 3060 m3=596x3.06 =1823.76 m01= m1 +m2 +m3=21926.84+876+1823.76=24627 596 1630 4172 5960 5960 6309 10000 10000 10000 3~4 4~5 5~6 计 算 内 容 塔段内直径D，mm 塔段名义厚度δni,mm 塔段长度li,mm 塔段高度H1，mm 单位筒体质量m1m,kg/m 筒体高度H1,mm 筒体质量m1,kg 封头质量m2,kg 裙座高度H3,mm 裙座质量m3,kg 塔体质量m01,kg 塔段内件质量m02,kg m02m0244D2NqNDi2NqN─ 44227075193 227075193 (浮阀塔盘质量qN=75kg/m2) ─ 2120 25184 25184 4005 m034D24in2sDi2nHo22m03 2.22422.024236.7930021.1.183007581 m03 ──封头保温层质量，（kg）

69

─ 108 1401 2002 2002 2068 续表

塔 设 备 质 量 载 荷 计 算

计 算 内 容 计 算 公 式 及 数 据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 平台质量 qp=150kg/m2 笼式扶梯质量 qF=40kg/m 平台质量 n=8 笼式扶梯质量 HF=39m m04平台，扶梯质量m04,kg D222BD221nqpqFH 42220.01220.120.9220.01220.1 422ininF220.5815040396860 80 943 40 操作时塔内物料质量m05,kg 2387 1725 1685 m05─ 4DihwNho1Vf1 2944 6786 5529 5529 4272 按经验取附件质量为： 人孔、接管、法兰等附件质量ma,kg ma0.25m010.252462761571 231 1092 1485 1485 1710 mw充液质量mw,kg 4DiHW2VfW 2─ 42236.79100021.1810001179391180 21991 31416 31416 31936 偏心质量me,kg 再沸器：me=4000 ─ ─ 1400 2600 ─ ─ m0m01m02m03m04mame操作质量m0,kg 24627193758168602306061574000 88778790 4393 19114 22772 21885 19824 mminm010.2m02m03m04mame最小质量mmin,kg 790 246270.2193758168602306061574000 525243449 10632 13096 12209 12348 mmaxm01m02m03m04mwmame最大质量mmax,kg 790 计 算 内 容 塔体内直径Di,mm 塔体有效厚度δe,mm 塔设备高度H,mm 操作质量mo,kg 246271937581686011793961574000 1836574629 34319 48659 47772 47488 自 振 周 期 计 算

计 算 公 式 及 数 据 2000 10 40000 88778 T190.33H塔设备的自振周期T1,s m0H103EeDi88778400001031.75531.910102000 90.3340000 70

续表

地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算

计 算 内 容 各段操作质量mi,kg 各点距地面高度hi,mm 计 算 公 式 及 数 据 0~1 790 500 1.12×104 8.83×106 61~2 4393 2000 8.94×104 3.93×108 2~3 19114 6500 5.24×105 3~4 22772 15000 1.84×106 4~5 21885 25000 3.95×106 5~顶 19824 35000 6.55×106 h1.5i mih1.5i 1.00×1010 4.18×1010 8.65×1010 1.30×1011 2.686×1011 Amih1.5i i1h3i 1.25×108 68.00×109 2.75×1011 3.38×1012 1.56×1013 4.29×1013 mih3i Amih3i i19.88×1010 3.51×1013 5.25×1015 7.69×1016 3.42×1017 8.50×1017 1.274×1018 2.11×10-7 A/B 基本振型参与系数k1 综合影响系数CZ 地震影响系数最大值max 各类场地土的特征周期Tg 地震影响系数1 k1A1.5hi2.11107hi1.5 B1.×10-2 0.11 0.387 0.833 1.38 2.36×10-3 取Cz=0.5 由表5-5 得max0.45 (设计烈度8度时) 由表5-6 得Tx=0.3(Ⅱ类场土、近震时) 1(Tg0.30.9)0.9,max()0.450.0920.2maxT11.75 1不得小于0.2max0.20.450.09水平地震力Fk1，N 垂直地震影响系数v max 操作质量mo,kg 当量质量meq,kg 底面处垂直地震力Fv，N 0-0Fk1CZ1KJmkg 0.840 37.37 948.79 3976.85 8336.56 12345.17 v max0.65max0.650.450.2925 88778 取meq=0.75ma=0.75×88778=66583.5 0-0Fvmaxmeqg0.292566583.59.81191056.4 mihi 3.95×105 8.79×106 1.24×108 3.24×108 5.47×108 6.94×108 mi16ihi 1.716×109 1-1Fvmhhi垂直地震力F，N 44.0 1-1vmk16Fv00mhhikhk13805.94 191056.41.716109 38077.67 6.902.0 77268.73 978.7 -0M0E10-0底截面处地震弯矩ME1，Nmm 16Czkm0gH35 1680.50.092887789.81400007.32561035底截面处地震弯矩ME1，Nmm 0-0-00-088 M0E11.25ME11.257.3256109.15710

71

续表

地震载荷与地震弯矩计算

计算内容 计算公式及数据 0~1 1~2 2~3 3~4 2.~5 5~顶 截面1-1处地震弯矩1111ME1.25ME11.258C21mog11.N·mm ME175H80.50.092887789.81 1.25(10400003.52.517540000 14400002.51000410003.5)8.8371082222ME1.25ME21.2510H3.514H2.5h4h3.5 8CZ1mog2.5截面2-2.N·mm 处地震弯矩ME22175H80.50.092887789.811.25(10400003.52.5175400002.514400003000430003.5)8.196108风载荷与风弯矩计算

计算公式及数据 10H3.514H2.5h4h3.5 计算内容 各计算段的外径Doi,mm 各计算段的外径do,mm 第i段保温层厚度δsi,mm 管线保温层厚度δpo,mm 笼式扶梯当量宽度K3 各计算段长度li,mm 操作平台所在计算段长度lo,mm 平台数 各段平台构件的投影面积各计算段长度，∑A，mm2 0~1 1~2 2~3 400 100 100 400 3~4 4~5 5~顶 DOiDi2o20002122024 1000 1000 0 0 2000 2000 0 0 7000 7000 1 9×105 10000 10000 3 3×9×105 10000 10000 2 10000 10000 2 2×9×105 2×9×105 操作平台当量宽度K4 K40 2A lo0 257.1 0 360 360 DeiDOi2oiK4dO2po 各计算段的有效直径Dei，mm 2824 2624 3081 33 3184 3184 DeiDOi2oiK3K4 2624 2624 3 2881 10 31 20 2984 30 2984 40 1 根据hit查表5-7 0.8 400 1.75 1225 0.8 1.0 0.7 1.25 1.42 1.56 各计算段顶截面距地面高度hit 风压高度变化系数体型系数K1 基本风压值q0,N/m2 塔设备的自振周期T1，s fi qoT12 72

续表

风载荷与风弯矩计算

计算内容 计算公式及数据 0~1 查表5-8 2.59 查表5-8 0.72 0.72 0.72 1.0 0.79 0.82 0.85 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 脉动增大系数（B类） 脉动影响系数u 1（B类） i第i段据型系数 根据hi1/H与u查表5-10 0.02 0.02 0.11 0.35 0.66 1.00 各计算段的风据系数K2i K2i11.047 iifi 1.205 1.573 1.987 2.411 1.047 各计算段的水平风力Pi,N PiK1K2iqofiliDei106 662.3 00MwP11324.6 7276.7 18520.5 251.6 33531.5 l3l1lP2(l12)P)3(l1l22220-0截面的风弯矩Mw.N·mm 00l6 P 3(l1l2l3l4l52) 500662.320001324.665007276.71500018520.5 25000251.63500033531.52.131091-1截面的风弯矩M11w.N·mm lll2lP3(l23)P4(l2l34) (l2l3l4l56)2222 10001324.655007276.71400018520.511MwP21 24000251.63400033531.52.04109偏心弯矩

计算内容 偏心质量me，mm 偏心距e,mm mm 偏心弯矩Me，N·计算公式及数据 4000 2000 Memege40009.8120007.848107 最大弯矩

计算公式及数据 0-0截面 2.211.52109 109 1-1截面 2.121.47109 109 2-2截面 1.951.37109 109 计算内容 iiMWMe MEii0.25MWMeii mm 最大弯矩Mmaxe,N·ii2.21109 2.12109 1.95109 73

续表

圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核

计算内容 有效厚度ei,mm 筒体内径Di,mm 计算截面以上的操作质量mo,kg ii计算公式及数据 0-0截面 1-1截面 10 2000 88778 87988 83595 2-2截面 设计压力引起的轴向压力σ1,MPa 1pD11.1200055 4ei4100 0 13.72 67.48 1.2 62.07 13.04 55 操作质量引起的轴向压力2,MPa moiig2Diei13.85 ii4Mmax3Di2ei最大弯矩引起的轴向压力3,MPa 70.34 载荷组合系数K 系数A 设计温度下材料的许用应力 []t,MPa 0.094ei0.094100.00094 Ri1000t查表4-9（16MnR,200）得：[]170 t（Q235-A,200）得：[]113 A113 113 170 查表4-12（16MnR,200）得：B=118 查表4-12（Q235-A,200）得：B=93 93 93 111.6 118 141.6 系数B,MPa KB,MPa 许用轴向压应力[]cr,MPa 111.6 取以上两者中小值 111.6 115.26 对内压塔2对内压塔156.49 111.6 115.26 141.6 173.40 K[]t,MPa 圆筒最大组合压应力 3[]cr（满足要求） 81.20 75.11 (23),MPa 圆筒最大组合拉应力 84.19 23K[]t（满足要求） 53.76 104.03 (123),MPa 计算内容 试验介质的密度（介质为水）,kg/cm3 液柱高度H,cm 液柱静压力H塔设备压力试验时的应力校核

计算公式及数据 0.001 4000 /9.81,MPa 0.408 10 2000 有效厚度ei,mm 筒体内径D1,mm 74

续表

塔设备压力试验时的应力校核

计算内容 2-2截面最大质量mT，kg 22计算公式及数据 mT221836577904629178238 pT1.25p[]1701.251.11.375 t[]170345 372.6 141.6 取以上两者中小值 141.6 T(pTH/9.81)(Diei)(1.3750.408)(200010)179.2 2ei210实验压力pT，MPa 筒体常温屈服点2-2截面0.9，MPa 2-2截面KB，MPa e，MPa 压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力[tc]，MPa 试验压力引起的周向应力T，MPa 液压试验时：T试验压力引起的轴向应力T1，MPa 重力引起的轴向应力T2，MPa 弯矩引起的轴向应力T3，MPa 179.2<0.9Ks pD1.3752000T1T168.75 4ei410T2mT22g1782389.8127.83 Diei200010224(0.3MwMe)T3Di2ei4(0.31.871097.848107)20.4 2000210MPa 压力试验时圆筒最大组合应力，T1T2T368.7527.8320.461.32 液压试验时：T1T2T361.32<0.9Ks（满足要求） T2T327.8320.448.23<[]tc（满足要求） 裙座轴向应力校核

计算公式及数据 10 2000 计算内容 裙座有效厚度eb，mm 裙座筒体内径Dib，mm 0-0截面积Aab，mm2 0-0截面系数Zab，mm3 KB，MPa AabDibib2000106.28104 2ZabDibb20002103.14107 44111.6 135.6 取以上两者中小值 111.6 2.21109 K[]ls，MPa 裙座许用轴向应力，MPa 0-0截面最大弯矩Mmax，N·mm 000-0截面操作质量m0，kg 0088778 00Mmaxm0g2.21109887789.81 84.2575

续表

裙座轴向应力校核

计算内容 计算公式及数据 Am 1-1截面处裙座筒体的截面积Aam，mm2 Am2lmm2120122880 AamDimei[(bm2m)mAm] 2000102[(450212)102880] 5.91104Zm2mlm(Dim2bm2)()22 Zm 2101201000222522.341061-1截面处的裙座筒体截面系数Zm，mm3 1-1截面最大弯矩Mmax，N·mm 112Dimm(bmDimmZm)42  20002102(12200052.34106)4 3.6107Zm2.122.04 111m1g2.121098889.81Mmax0 71.62计算内容 裙座内径Dio，mm 裙座外径Doo，mm 基础环外径Dob，mm 基础环内径Dib，mm 基础环伸出宽度b，mm 相邻两筋板最大外侧间距l，mm 基础环面积Ab，mm2 基础环截面系数Zb，mm3 最大质量mmax，kg 操作质量mo，kg 0-0截面风弯矩MW，N·mm 0000计算公式及数据 2000 DooDm2m20002102020 DobDio30020003002300 11b(DobDoo)(23002020)140 22160 DibDio30020003001700 4444(DobDib)(2300217002)Zb8.38108 32Dbb322300 88778 2.132.217.848109 109 107 Ab22(DobDib)(2300217002)1.885106 0-0截面最大弯矩Mmax，N·mm mm 偏心弯矩Me，N·基础环材料许用应力[]bMPa

76

[]b140MPa 续表

基础环设计

计算内容 水压试验时压应力b1，MPa 1-1截面处裙座筒体的截面积Aam，计算公式及数据 mm2 Am2lmm2120122880 AamDimei[(bm2m)mAm] 2000102[(450212)102880] 5.91104Zm2mlm(Dim2bm2)()22 Zm 2101201000222522.341061-1截面处的裙座筒体截面系数Zm，mm3 1-1截面最大弯矩Mmax，N·mm 112Dimm(bmDimmZm)42  20002102(12200052.34106)4 3.6107Zm2.122.0487988 111m1g2.121098889.81Mmax0 71.6277

续表

地脚螺栓计算 计算内容 地脚螺栓螺纹小径d1，mm 计算公式及数据 4BAb42.361.885106d1C2337.7 nbt32147塔体圆筒名义厚度δn 塔体封头名义厚度δhn 裙座圆筒名义厚度δen 基础环名义厚度δb 地脚螺栓个数 地脚螺栓公称直径d，mm

故取32-Mn42地脚螺栓满足要求 筋板及盖板技术 略

裙座与塔壳焊缝验算

略

塔设备法兰当量设计压力

略 计算结果 12（满足强度和稳定性要求） 12（满足强度和稳定性要求） 12（满足强度和稳定性要求） 22（满足强度和稳定性要求） 32（满足强度和稳定性要求） 42（满足强度和稳定性要求） 5.4 板式塔的结构设计

5.4.1 板式塔的总体结构

板式塔的结构简图见图5-l。在板式塔内沿塔高装了若干层塔盘，液体靠重力作用由塔顶逐盘流向塔底，并在各块塔盘面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔盘上的液层而升至塔顶。气、液两相在各塔盘上直接接触完成热量和质量传递，两相组成沿堵高呈阶梯式变化。

塔盘是板式塔内气、液接触的主要元件。塔盘要有一定的刚度，以维持水平，使塔盘上的液层深度相对均匀；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修，并且成本要低。

塔盘的种类很多，根据塔盘的结构特点，常将板式塔分为：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、浮舌塔、浮动喷淋塔等多种不同的塔型。其中浮阀塔是20世纪50年代以来在泡罩塔与筛板塔的基础上发展起来的一种板式塔，由于其生产能力大、操作弹性大、塔盘效率高、气体压强降及 液面落差较小、塔的造价较低等优点而得到最广泛的应用。下面以浮阀塔为例介绍板式塔结构。5.4.2 塔盘设计

塔盘主要由塔盘板、塔盘圈、溢流堰及降液管等组成。

根据塔设备直径的大小，塔盘分成整块式和分块式两种类型。当塔径为300-800mm时，采用整块式塔盘；塔径大干800mm时，采用分块式塔盘。

通常，各层塔盘的结构是相同的，只有最高层、最低层和进料层的结构和塔盘间距有所不同。通常，塔盘间距为200、250、300、350、400、450、500、600、700、800mm等。塔盘间距与塔径的关系可参考表5-12。但最高层塔盘和塔顶距离常高于塔盘问距，有时甚至高过—倍，便于气体出塔之前很好地进行气液分离。在某些情况下，在这一段上还装有除沫器。最低层塔

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盘到塔底的距离也比塔盘间距高，因为塔底空间起着贮槽的作用，保证液体能有足够的储存，使塔底液体不致流空。进料塔盘与上一层塔盘的间距也比一般高。对于急剧气化的料液在进料塔盘上需装上挡板、衬板或除沫器，在这种情况下，进料塔盘间距还得加高些。此外，每隔15~20层塔盘，要开一个人孔，以使人能较方便地进入任一层塔盘进行的拆装及维修。开人孔处的塔盘间距较大，一般为600~800mm。

表5-12 塔盘间距与塔径的关系

塔径，m 塔盘间距，mm 0.3~0.5 200~350 0.6~1.0 250~400 1.0~2.0 250~600 2.0~4.0 300~600 4.0~6.0 400~800 液体在塔盘上的流程，分为单流和双流两种。塔径在2400mm以下常采用单流程。但当塔盘较大、液相流量较大时，采用单流塔盘会造成液面落差过大，气流分布严重不均、甚至局部漏液现象。此时应采用双流塔盘。

塔盘板常用2～3mm不锈钢板或3～4mm的碳钢板制造。 塔盘板上开有四种类型的孔：阀孔、拉杆孔、降液管和排液管。 阀孔的直径为39mm，排列见表5-13。

表5-13阀孔的排列

浮阀的排列有两种形式 排列形式 1.正三角形和等腰三角形顺排 2.正三角形和等腰三角形叉排 叉排时，相邻两阀中吹出的气渣对液层的搅拌作用时间生产中采用的正三角形叉拍的较多 阀孔中心距 浮阀个数 排列简 显著，鼓泡均匀，液面梯度小，雾沫夹带量也较小，图 1. 以正三角形排列时，常用的中心距有75、100、125、150mm等 2.以等腰三角形排列时，其高固定为75mm，三角形的底边t可采用70、75、80、90、100、110mm等 计算公式：nfF0vsVnu837 0（SI制以v代替v） 00.785(0.039)2u0v阀孔动能因数可取：F0=8~11 浮阀塔板的开孔率依阀孔数而定，一般在常，减压塔中为他板总面积Ar的10%~15%，加压塔中为开孔率 0.785d2nf6%~9%，计算式 AT式中，孔径d=0.039m，nf为浮阀数 降液管型式一般可分圆形和弓形两种，见图5—14。弓形降液管最大限度地利用了塔的截面作为降液，因而降液能力大，气液分离效果好。圆形降液管仅当液体负荷较小时采用。

为了增加溢流周边并提供足够的空间使泡沫层中的气体得到分离，常在降液管的前方设置溢流堰。溢流堰的堰长LW和堰高hW由工艺决定。常取堰高hW3040mm，采用弓形降液

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管时，单流最适宜的堰长LW一般为塔径的60％～80％；双流两侧降液管堰长为塔径的50％～70％；中间降液管面积应等于两侧降液管面积之和，且宽度不小于200mn。圆形降液管尺寸按液体负荷计算确定。

拉杆孔常用5～4个，孔径有16和

18两种，孔的位置以不与降液管相碰，

支撑力均匀为准。

板式塔在停止操作时，塔盘、受液盘、液封盘等均应能自行排净存液，塔盘板上需开设排液孔(又称泪孔)。通常，排液孔开在塔盘的溢流堰附近，这在正常操作时对塔板效率影响最小，排液孔太小，易被沉积物所堵塞；直径太大，则正常操作时漏液过多，影响效率。排液孔的直径及孔数，根据液体流动性及规定的排空时间而定，直径一般取φ8～15mm。孔数按每平方米

塔盘面积有1.0～ 3.0cm(一般用2．5cm2)的开孔面积计算。对受液盘、液封盘，则不论其面积大小，至少应开设一个φ10mm的排液孔。

盘面布置时，进口堰或出口堰，距最近一排阀孔中心线的距离，对于分块式塔盘为80～110mm；对于整块式塔盘为60～70mm。塔盘圈内壁距最近阀孔中心线的距离，对于分块式塔盘为70～90mm；对于整块式塔盘，常取55mn。如距离很大，为防止液体流动不均匀，可加设折流挡板。跨过支承梁的两排相邻阀孔中心线的距离，以避开梁为原则，且不小于阀间距。

分块式塔盘装有受液盘，在塔设备中主要起封液作用。受液盘有凹形和平形两种。其结构对液体流入塔板的均匀性有影响。一般常用凹形受液盘，对于易聚合液体，应避免一切可能形成的死角，宜采用平形受液稳。当采用平形受液盘时，为不使液体自降液管中流出后水平冲入塔盘，影响塔盘入口处的操作，可设置入口堰，一般入口堰高度可取8～80mm。采用凹形受液盘时，可不用入口堰；受液盘深度由工艺决定，常取50mm。

5.5 填料塔的结构设计

填料塔是一种连续式气液传质设备。它由塔体、喷淋装置、填料、栅板、再分布器和各种接管、支座等组成，典型的填料塔结构如图所示。它与板式塔相比，仅有三个持殊部件，即液体喷淋装置、液体再分配装置和填料的支承栅板，这里重点介绍这几部分。 5.5.1 喷淋装置

液体喷淋装置(或称液体分配装置)的基本要求是：能使整个塔截面的填料表面很好湿 润；液体沿填料表面均匀分布；结构简单、制造维修方便。

液体喷淋装置的类型很多。最常用的为喷洒型。

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对于小直径的填料塔，可采用管式喷洒器。图5-15中(a)为直管喷洒器，(b)为弯管喷洒器，(c)为缺口管喷洒器。其特点是：开口面积约为管截面的0.5～1倍；结构简单，制造 安装方便，但喷洒均匀性差，喷淋面小。

图5-15 管式喷洒器

(a)直管；(b)弯管；(c)缺口管

图5-16 直管喷孔式喷洒器

直管喷孔式喷洒器可用于800mm以下的塔设备见图5-16。直管下侧开3～5排φ4～8的小

孔，小孔面积总和约等于直管截面积；其特点是：喷洒较均匀，但喷淋面小。

对于直径稍大(约1200mm以下)的填料塔，可采用环管多孔喷洒器，如图5-l 7所示。将下侧开3～5排φ4～8小孔的管弯制成圆环状，圆环管直径取D10.6于任何一种直管喷洒器。

凡带小孔的喷洒器，适用丁清洁的液体，否则易堵塞小孔。 5.5.2 液体再分配装置

在填料塔中，当填料层比较高时，液流有流向器壁造成“壁流”的倾向，使液体分布不均，降低了填料塔的效率。甚至塔中心处的填料常不能被湿润，称为“干锥”现象。为消除此现

象，常将填料分段填装，层间设置液体再分配器，以便在整个高度内的填料都得到均匀喷淋。

液体再分配器设计时需考虑下列因素：

①再分配器的自由截面不能过小(约等于垣料的自由截面积)，否则将会过大地增加阻力； ② 结构简单、牢固可靠，能承受气、液流体的冲击； ③ 便于拆装。

图5-18是一种应用最广的分配锥式，沿壁流下的液体用分配锥再将它导至。它的设计

0.8Di；其喷淋程度优

表5-14 分配锥参考尺寸 塔径D，mm 倾角, <1000 70~90 0.1~0.2D1 锥高h，mm 锥小头口径D1，mm 0.7~0.8D1 3~4 锥壁厚S，mm

81

尺寸参考表5-14。它的持点是上下堆满填料不占空间，但使设备齐分配锥处的截面缩小。

两分配锥间距L，当塔径Di800mm时，一般取L6Di，当塔径Di800mm时，取

L2～3Di

5.5.3填料的支承结构

在填料塔中，最常用的填料支承是栅板，栅板常用扁钢焊制而成，并由焊十塔壁上的支承 在圈支承，大直径塔设备常设支承梁。当塔径Di900mm时，在支承圈下常设加强筋板。设计栅板的支承结构时，需要注意下述各点：

①栅板必须有足够的强度和刚度，以承受填科和拦液质量，并能对压力、温度波动和机械振动有足够的承受能力；

②栅板必须有足够的自由截面，一般应和填料的自由截面大至相等，以使气液顺利通过； ③构成栅板的扁钢条之间的距离约为填料外径的60％～80%； ④栅板必须有一定的耐腐蚀性

5.6 塔设备附件

不论板式塔还是填科塔，都有结构和作用相同的一些零部件，通称塔附件。它们包括：接管、人孔、视镜、裙座、除沫装置、吊杆和保温圈等。 5.6.1 接管

塔设备上的接管与一般的容器上的接管结构相同，仅有液体进料管、进气管、出料管局部结。构稍具特色。 5.6.1.1 进料管

填料塔中的进料管与液体喷淋装置相联。板式塔中进料管也常选用图5-15中的缺口式、弯管式喷洒器结构，直接引到塔盘上的受液盘上，当进料管离塔盘较远时，可设置缓冲管。 2.6.1.2 出料管

出料管一般需通过裙座上的通道管引到裙座的外部，如图5-19所示。通道管尺寸见表5-15。

表5-15 通道管尺寸

引出管公称 直径 通道 管 规格 无缝 钢管 卷焊管 内径 20 25 32 40 50 70 80 100 125 150 200 250 300 350 1334 1594.5 2198 3258 200 250 300 350 400 450 500 5.6.1.3 进气管

进气管的装配位置由工艺条件确定。有的设在两塔盘间，有的设在塔体下部。但均应设置在最高液面之上，避免液体淹没气体通道。图5-20是用于板式塔或填料塔的典型进气管结构图。图(a)和(b)是塔侧进气管结构，出口处设置斜切口或挡板结构是为改善气体体分布。团(c)所示为带有伞罩的结构，它能防止气体直冲和异物落入管中。图(d)所示，是带有气孔的气体分布管，管上开有三排出气小孔，使进塔气体分布均匀。小孔直径和数量，由工艺条件决定，常用于直径较大的塔中。

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图5-19 通道管

图5-20 常用进气管结构 图5-2l 切向进气管结构

当进塔物料为气液混合物时，为了使物料经过气液分离后，再参与化工过程，一般可采用切向进气管结构，如图5-21所示，即为—塔内装有气液分离挡板的切向进气管。当气液混合物由切向进气管进塔后，沿着上下导向挡板流动，经过旋分分离过程，液体向下，气体向上，然后参加化工过程。 5.6.2 除沫装置

。除沫装置属气液分离装置，用以除去气体夹带的雾沫，保证传质效率并改善塔后操作，除沫装置可安装在塔内或塔上部，也可作为的气液分离设备。

较先进的除沫器是丝网除沫器。丝网是用不锈钢、铜、镀锌铁、聚四氟乙烯、尼龙、聚氯乙烯等圆丝或扁丝编制并压成双层折皱形网带或波纹形网带。

丝网除沫器适用于洁净的气体，可分离＞5m的液滴，其效率可达99％。丝网除沫器已标准化，可根据丁艺要求选用。 5.6.3 吊柱

对于高度＞15m的室外无框架的整体塔，应考虑安装和检修时起吊塔台及其他附件的方便，所以常在塔顶安装可转动的吊柱。吊柱的吊钩与塔顶之间的距离，一般为1000mm以上，手柄至操作平台之间的距离，一般为1200～1500mm之间。

吊柱设置方位应考虑吊柱中心线与人孔中心线间有合适的夹角，使人站在平台上能操纵手柄转动吊柱管，将吊钩的垂直中心线转到人孔附近。

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5.6.4 裙式支座

裙式支座（简称裙座）是塔设备广泛采用的一种支座，其组成如图5—22所示。

座圈是一种圆形（或圆锥形）筒体，上端与塔体底针头焊接在一起；下端焊在基础环上，承受塔体的全部载荷，并把载荷传到基础环上。

地脚螺栓座由基础环、螺栓座等组成。基础环是一块环板，它把座圈传来的全部载荷，均匀分布到基础上去。地脚螺栓座有多种型式，常采用外螺栓座及单环板座两种型式。外螺栓座结构型式见 附图4-14及附表4—14；单环板座结构型式见附图4-15及附表4-15。

裙座上必须开设检查孔或称人孔，以方便检修。检查孔有圆形

（A型）和长圆形（B型）两种，A型结构、尺寸及开孔数量，见图5-23和表5-16。当截面受B型的结构、 或拆卸塔底附件困难时，可采用B型。尺寸及开孔数量，见图5-24和表5-17。

图5-23 A型检查孔 图5-24 B型检查孔

表5-16 A型检查空的尺寸与位置 mm

裙座直径 开孔数量 直径D M 1 1 2 250 450 450 150 200 250 开孔中心高H — 900 900 裙座直径 3000~4600 开孔数量 直径D M 2 2 500 600 250 250 开孔中心高H 950 1000 700 800~900 1000~2800 4600 表5-17 B型检查孔的尺寸与位置 mm

裙座直径 800~900 1000~2800 开孔数量 1 2 W 400 400 M 180 180 检查孔长L 799 900 裙座直径 3000~4600 开孔数量 2 2 W 450 450 M 200 200 检查孔长L 1200 1200 4600

裙座筒体底部应对开两个排净孔，其结构及尺寸见图5-25。 塔运行中可能有气体逸出，就会积聚在塔底封头之间的死区中。为减小腐蚀及避免可燃、有毒气体的积聚，保证检修人员的安全，必须在裙座上部设置排气孔或排气管。

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当裙座不设保温（保冷、防火）层时，其上部应均匀开设排气孔，见图5-26。当裙座设保温（保冷、防火）层时，裙座上部应均匀设置排气管，如图5-27所示。排气孔或排气管的规格和数量见表5—18。对于开有检查孔的矮裙座可不设诽气孔。

图5-26 排气孔 图5-27 排气管

表5-18 排气管（孔）的尺寸与位置

裙座直径D，mm 开孔数量 排气管规格 排气孔直径 开孔位置 dwS，mm d，mm 50 70 100 H，mm 130 170 230 260 300 1000 1000D1800 1800D3400 3400D4600 4 6 8 573.5 764 1084 4600 裙座与塔体的连接采用焊接。焊接接头可采用对接型式或搭接型式，推荐采用对接型式。 当采用对接接头型式时，一般取裙座筒体内径与塔体封头内径相等；当裙座筒体厚度与塔体封头厚度之差8mm时，取两者的外径相等。由于对接焊缝，焊缝受压，可承受较大的轴向力，用于大塔。对接焊接接头形式及尺寸见图5-28。通常采用（a）图结构，下列场合推荐采用（b）图结构。

图5-28 裙座与塔体对接接头连接

①当塔高与塔径之比＞20； ②塔内为低温操作；

③裙座与塔体封头连接焊缝可能产生热疲劳； ④裙座筒体名义厚度(ns)超过16mm。

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图5-29 裙座与塔体的搭接接头连接

搭接焊接接头形式及尺寸见图5-29。搭接部位可位于封头直边上，如图5-29中（c）和（d）；但最好位于塔体筒体上，如图5-29中（a）和（b）。搭接焊缝对封头来说受力较好，但焊接接头受剪，受力不佳，因此．搭接的角焊缝必须填满。

裙座筒体与拼焊塔体封头连接时，在封头拼接接头处的裙座筒体应切缺口，缺口的形状及尺寸见图5-30及表5-19。

表5-19 裙座筒体缺口尺寸 mm

封头厚度nh 宽度 R 6~8 70 35 10~18 100 50 20~26 120 60 28~32 140 70 5.6.5保温圈

塔外保温材料的支承圈叫做保温圈。需保温（保冷）的塔设备，除特殊情况外（如带法兰的塔节），均应设置保温圈。保温圈的形状为分块圆环，根据塔径不同，由4～8块组成。根据保温表面形状不同分为I、Ⅱ、Ⅲ型。保温层在塔体上的布置见图5-31。

图5-31 保温困布置图

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塔体保温圈为I型，见图5-32。塔体最低层保温圈距塔体与裙座焊缝线以下4倍保温层厚处，向上每隔3～3．5m焊一保温圈，圈缘不开小孔，圈宽W1

23保温层厚si。

图5-32 I型保温圈

塔顶保温圈为Ⅱ型，见图5-33。塔顶保温圈位于上封头切线处焊缝线以下50mm处，

Wsi，在圈的外缘钻有均布、间隔为100mm的5小孔。安装保温材料时，利用铅丝穿过

小孔来封扎保温材料，也可通过小孔编网固定保温材料。

图5-33 Ⅱ型保温圈

塔底封头保温圈为Ⅲ型，见图5-34。塔底封头保温圈焊在裙座内壁，由宽60mm、厚4mm的4或8块扁钢圈组成。圈内缘间隔100mm开一个5小孔，包扎保温材料的铅丝也是通过小孔固定。

图5-34 Ⅲ型保温圈

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