塔设备机械计算.doc
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第四章塔设备机械设计
塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。
机械设计是把工艺参数、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机构设计。
4.1设计条件
由塔设备工艺设计设计结果,并查相关资料[1],[9]知设计条件如下表。
表4-1设计条件表
已知设计条件
塔体内径Di
2000mm
塔体高度H
28000mm
设计压力P
1.0MPa
设计温度t
200℃
塔体
材料
16MnR
许用应力
170MPa
许用应力
170MPa
设计温度下弹性模量E
1.9×105MPa
常温屈服点
345MPa
厚度附加量C
2mm
塔体焊接接头系数ϕ
0.85
介质密度ρ
783.92kg/m3
塔盘数N
40
每块塔盘存留介质层高度hW
80mm
基本风压值q0
400N/m2
地震防烈度
8度
场地土类别
Ⅱ类
偏心质量me
4000kg
塔外保温层厚度δ
100mm
保温材料密度ρ2
300kg/m3
裙座
材料
Q235-A
许用应力
113MPa
常温屈服点σs
235MPa
厚度附加量Cs
2mm
人孔、平台数
6
地脚螺栓
材料
Q235-A
许用应力bt
140MPa
腐蚀余量C2
3
个数n
32
4.2设计计算
4.2.1全塔计算的分段
图4-1全塔分段示意图
塔的计算截面应包括所有危险截面,将全塔分成5段,其计算截面分别为:
0-0、1-1、2-2、3-3、4-4。
分段示意图如图4-1。
4.2.2塔体和封头厚度
塔内液柱高度:
(m)
液柱静压力:
(MPa)
计算压力:
MPa(液柱压力可忽略)
圆筒计算厚度:
(mm)
圆筒设计厚度:
(mm)
圆筒名义厚度:
(mm)
圆筒有效厚度:
(mm)
封头计算厚度:
(mm)
封头设计厚度:
(mm)
封头名义厚度:
(mm)
封头有效厚度:
(mm)
4.2.3塔设备质量载荷
1.塔体质量
查资料[1],[8]得内径为2000mm,厚度为10mm时,单位筒体质量为495kg/m,单个封头质量为364kg。
通体质量:
(kg)
封头质量:
(kg)
裙座质量:
(kg)
塔体质量:
(kg)
0-1段:
(kg)
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
2.塔段内件质量
查表5-4得[8],筛板塔塔盘质量,则
塔体内件质量:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
3.保温层质量
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
4.平台和扶梯质量
查表5-4得[8],平台质量笼式扶梯质量
平台数笼式扶梯总高度
0-1段:
(kg)
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
5.操作时塔内物料质量
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
6.人孔等附件的质量
(kg)
0-1段:
(kg)
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
7.充液质量
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
3-4段:
(kg)
4-顶段:
(kg)
8.偏心质量
已知再沸器:
1-2段:
(kg)
2-3段:
(kg)
9.操作质量
同理可得各段的操作质量如下:
(kg),(kg),(kg)
(kg),(kg)
10.最小质量
同理可得各段的最小质量如下:
(kg),(kg),(kg)
(kg),(kg)
11.最大质量
同理可得各段的最小质量如下:
(kg),(kg),(kg)
(kg),(kg)
综上可知塔的各种质量载荷计算结果如表4-2所示。
表4-2质量载荷计算结果
质量/kg
0--1
1--2
2--3
3--4
4--顶
m01
14340.5
495
1354
2475
4950
5066.5
m02
8164
0
0
1020.5
3877.9
3265.6
m03
5116.5
0
111.9
998.5
1997
2009.1
m04
5033.7
40
80
861.3
1722.6
2329.8
m05
13227
0
919.5
5415.3
3741.5
3150.7
ma
3585.1
123.8
338.5
618.8
1237.5
1266.6
me
4000
0
1400
2600
0
0
mw
79275.8
0
1172.9
15700
31400
31002.9
m0
53466.8
658.8
4203.9
13989.4
17526.5
17088.3
mmin
33708.6
658.8
3284.4
7757.7
10682.68
11325.12
mmax
119515.6
658.8
4457.3
24274.1
45185
44940.5
4.2.4自振周期
式中H–––––塔设备高度,mm
m0–––––操作质量,kg
E–––––设计温度下弹性模量,MPa
Di–––––塔体内径,mm
δ–––––塔体有效厚度,mm
4.2.10地震载荷与地震弯矩
1.水平地震力
式中CZ–––––综合影响系数,取CZ=0.5;
mK–––––距离地面hK处的集中质量,kg;
α1–––––对应于塔设备基本自振周期T1的地震影响系数α值;
αmax–––––地震影响系数的最大值,设计烈度8度时取αmax=0.45;
Tg–––––各类场地土的特征周期,Ⅱ累场地、近震时取Tg=0.3。
ηK1–––––基本振型参与系数;
表4-3Excel计算水平地震力过程及结果
0--1
1--2
2--3
3--4
4--顶
各段操作质量mi,kg
658.8
4203.9
13989.4
17526.5
17088.3
各点距离地面高度hi,mm
500
2000
5500
13000
23000
hi1.5
11180.34
89442.72
407890.9
1482228
3488123
mihi1.5
7365608
3.76E+08
5.71E+09
2.6E+10
5.96E+10
91673880218
hi3
1.25E+08
8E+09
1.66E+11
2.2E+12
1.22E+13
mihi3
8.24E+10
3.36E+13
2.33E+15
3.85E+16
2.08E+17
2.4878E+17
A/B
3.68493E-07
ηki
0.00412
0.032959
0.150305
0.546191
1.285349
水平地震力Fk1,N
2.249902
114.8556
1743.003
7935.334
18207.3
以0--1段为例进行计算:
(N)
其他段由Excel计算过程及结果如表4-3。
2.垂直地震力
塔设备底截面处垂直地震力可由下式计算:
式中–––––垂直地震影响系数最大值,取;
–––––塔设备的当量质量,取kg。
任意质量i处垂直地震力可按下式计算:
以0—1段为例进行计算:
(kg)
塔设备底截面处的垂直地震力:
(N)
658.8kg,距离水平面500mm处垂直地震力:
(N)
其他段由Excel计算过程及结果如表4-4。
表4-4Excel计算垂直地震力过程及结果
0--1
1--2
2--3
3--4
4--顶
kg
40100.1
40100.1
40100.1
40100.1
40100.1
115064.2
115064.2
115064.2
115064.2
115064.2
0.2925
0.2925
0.2925
0.2925
0.2925
329400
8407800
76941700
2.28E+08
3.93E+08
706554300
53.64364
1369.232
12530.16
37105.07
64006.1
3.地震弯矩
等径、等壁厚塔设备任意截面的基本振型地震弯矩:
等径、等壁厚塔设备底截面0-0的基本振型地震弯矩:
当塔设备H/D>15,或H≥20m时,还必须考虑高振型的影响,在进行稳定和其他验算时,可按下式计算[8]:
底面处地震弯矩:
(N·mm)
截面1-1处地震弯矩:
截面2-2处地震弯矩:
同理可得:
(N·mm)(N·mm)
4.2.6风载荷与风弯矩
1.水平风力
以0—1段为例进行计算:
…
式中P1、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90°时,取下列两式中较大者[8]:
Doi–––––塔设备各计算段的外径,mm;
K21、K22……K2i–––––塔设备各计算段的风振系数,当塔高H≤20m时,取K2i=1.70,当H>20m时,按下式计算[8]:
–––––风压高度变化系数,按表5-7[8]查得;
–––––脉动增大系数,按表5-8[8]查得;
–––––第i段脉动影响系数,按表5-9[8]查得;
–––––第i段振型系数,根据hi/H与u查表5-10[8];
K3–––––笼式扶梯当量宽度,当无确切数据时,可取400mm[8];
K4–––––操作平台当量宽度,mm;
–––––第i段内平台构件的投影面积,mm2
–––––操作平台所在计算段的长度,mm。
–––––第i计算段长度,mm。
Excel计算过程及结果如表4-5。
表4-5Excel计算水平风力过程及结果
0--1
1--2
2--3
3--4
4—顶
1000
2000
5000
10000
10000
1000
2000
5000
10000
10000
,m
1
3
8
18
28
,mm2
0
0
9×105
1.8×106
2.7×106
0
0
360
360
540
脉动增大系数(B类)
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
脉动影响系数(B类)
0.72
0.72
0.72
0.79
0.85
0.0357
0.1071
0.2857
0.6429
1
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
第段的风振系数
0.02
0.02
0.15
0.54
1
0.8
0.8
1
1.25
1.42
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
1.0396
1.0396
1.2376
1.750816
2.316901
N/m2
400
400
400
400
400
较大值(较大值)
2820
2820
3180
3180
3360
各计算段的
水平风力,N
656.6945
1313.389
5509.795
19486.58
30952.32
2.风弯矩
0-0截面的风弯矩:
1-1截面的风弯矩:
2-2截面的风弯矩:
4.2.7最大弯矩
1.偏心弯矩
偏心质量kg偏心距mm
偏心弯矩N·mm
2.最大弯矩
最大弯矩计算结果如表4-6
表4-6最大弯矩表
0-0截面
1-1截面
2-2截面
最大弯矩
4.2.8圆筒轴向应力校核
1.圆筒轴向应力
设计压力引起的轴向应力:
MPaMPaMPa
操作质量引起的轴向应力:
(MPa)
(MPa)
(MPa)
最大弯矩引起的轴向应力:
(MPa)
(MPa)
(MPa)
2.圆筒稳定校核
载荷组合系数K=1.2
系数
设计温度下材料的许用应力
查得[1](16MnR,200℃)=170MPa
(Q235-A,200℃)=113MPa
即:
=113MPa=113MPa=170MPa
查得[1](16MnR,200℃)B=118
(Q235-A,200℃)B=93
则:
MPa,MPa
MPa,MPa
MPa,MPa
取两者中较小值,即:
=111.6MPa=111.6MPa=141.6MPa
MPa
MPa
MPa
圆筒最大组合应力:
MPa<=111.6MPa
MPa<=111.6MPa
MPa<=141.6MPa
对内压容器<满足要求。
圆筒最大组合拉应力:
MPa MPa MPa 对内压容器<满足要求。 4.2.9塔设备压力试验时的应力校核 试验介质密度(介质为水): kg/cm3,液柱高度: H=2800cm 液柱静压力: MPa 2-2截面最大质量: kg 2-2截面MPa 2-2截面KB=141.6MPa 压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力=141.6MPa(取两者中较小者)试验压力引起的周向应力: MPa 液压试验时,MPa 试验压力引起的轴向应力: MPa 重力引起的轴向应力: MPa 弯矩引起的轴向应力: MPa 液压试验时圆筒最大组合应力: MPa<(满足要求) MPa<(满足要求) 4.2.12裙座轴向应力校核 1.裙座底截面的组合的应力 裙座有效厚度: mm裙座筒体内径: mm 0-0截面积: mm2 0-0截面系数: mm2 MPa,MPa裙座许用轴向应力取两者较小值。 0-0截面组合应力: MPa 2.裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 检查孔加强管长度: mm,检查孔加强管厚度: mm 检查孔加强管水平方向的最大宽度: mm mm2 1-1截面处裙座筒体截面积: mm2 1-1截面处得裙座筒体截面系数: 1-1截面组合应力: < 4.2.11地脚螺栓座 1.基础环设计 裙座外径: mm 基础环外径: mm 基础环内径: mm 基础环伸出宽: mm 相邻两筋板最大外侧间距: mm 基础环材料的许用应力: MPa 基础环面积: mm2 基础环截面系数: mm3 水压试验时压应力: MPa 操作时压应力: MPa 混泥土基础上的最大压力取以上两者中最大值1.91MPa。 对X轴的弯矩,N·mm/mm 由,查表5-11[8]得: 对Y轴的弯矩,N·mm/mm 由,查表5-11[8]得: 计算力矩时取两者中较大值,N·mm/mm 有筋板时基础环厚度: mm 圆整后取mm 2.地脚螺栓 基础环中螺栓承受的最大拉应力: MPa MPa 基础环中螺栓承受的最大拉应力取两者中较大值,即MPa。 MPa>0时,塔设备必须设置地脚螺栓。 地脚螺栓个数: n=32 地脚螺栓材料的许用应力: 对于Q235-A取=140MPa 地脚螺栓腐蚀余量: C2=3mm 地脚螺栓螺纹小径: mm 圆整后可取M30地脚螺栓。 4.2.12接管 由Aspen模拟结果知F、D、W、V、L、Vˊ的体积流量分别如下: F=0.0245m3/sD=0.0020m3/sW=0.02289m3/s V=2.6883m3/sL=0.0076m3/sVˊ=2.6139m3/s 一般液体的流速为1.0~3.0m/s,一般气体的流速为10~20m/s,饱和蒸汽的流速为20~40m/s,过热蒸汽的流速为30~50m/s。 [7] 取液体流速为1.5m/s,气体流速为15m/s, 由可分别计算出各接管的内径,以进料接管为例: m=144mm 查管子规格表[7]圆整为ϕ180×10mm,其他接管同理可得。 综上可得各接管的规格如表4-7 表4-7接管规格表 加料接管 ϕ180×10mm 取样口 DN=25mm 回流接管 ϕ108×10mm 液面计 DN=15mm 气体出口 ϕ450×10mm 人孔 DN=450mm 出料接管 ϕ159×10mm 温度计 DN=32mm 再沸器进气口 ϕ450×10mm 压力计 DN=25mm
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