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2010年江苏省D类压力容器设计人员培训班,JB / T 4710 2005 标 准 学 习 塔 式 容 器 江苏省化工机械研究所有限责任公司 韩 建 新,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. SH 3098-2000 石油化工塔器设计规范 4. SH 3048-1999 石油化工钢制设备抗震设计规范 5. HG 20652-1998 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 /D5,且高度H10m; 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。,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/D4时,以剪切振动为主;4H/D10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=KB K腐蚀率 毫米/年 B构件设计寿命,一般为1520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M 24,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46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 Q235A bt = 147 Mpa 16MnR bt = 170 Mpa 采用其它材料时: 碳素钢 ns 1.6 低合金钢 ns 2.0 b)基础环、盖板和筋板 碳素钢 = 147 Mpa 低合金钢 = 170 Mpa,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1.73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73),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:,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74。,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/T 21639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;
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