塔器大型化设计学习要点与笔记

大型塔器设计、制造、运输及吊装注意点张明【摘要】简要阐述了大型塔器设计、制造、运输及吊装过程中的问题,包括各种工况下的计算载荷,塔体稳定性校核,地脚螺栓的选择等,并对这些问题进行了简单的分析和总结.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】4页(P17-20)【关键词】大型塔器设计制造运输吊装;【作者】张明【作者单位】江苏中圣压力容器装备制造有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH138.22随着石油化工装置发展越来越大型化，大型塔器在炼油及煤化工等领域的应用日益增加。

到目前为止，江苏中圣压力容器装备制造有限公司已设计并制造完成了多台大型塔器（总高度H≥60 m）。

大型塔器在设计、制造、运输及吊装过程中存在较多注意点，控制好这些关键点，对于提高塔设备制造效率、节约成本及保障塔设备安全具有重要意义。

2017年该公司为国内某项目设计、制造了一台脱重上塔，其主要设计参数可见表1。

1 大型塔器的设计1.1 塔器强度计算时应考虑的载荷及工况对塔器进行强度计算时应综合考虑压力载荷、温度载荷、重量载荷、风载荷、地震载荷、偏心载荷、局部载荷（如外部连接管道、设备吊耳的作用力）、温差应力（因温度梯度或热膨胀量不同）引起的载荷及运输或吊装时产生的载荷。

其中重量载荷包括塔器的自重（包括内件和填料）、正常操作条件下或耐压试验状态下内装介质的质量、附属部件（包括梯子平台、附塔管线）及保温和防火层的质量。

压力载荷、温度载荷、重量载荷也称为静载荷或长期载荷，风载荷和地震载荷也称为动载荷或短期载荷。

设计工况至少应综合考虑安装工况、水压试验工况、操作工况及检修工况的影响。

表1 塔器主要设计参数（总长) 塔器型式塔盘塔（140层）主体材料S31603+Q345R 耐压试验型式气压试验设计压力/MPa 1.0/FV 焊后热处理不需要设计温度/ ℃ 150 裙座筒体型式圆锥介质三氯氢硅运输方式分段运输焊接接头系数 1.0 吊装方式整体吊装项目参数项目参数塔器规格 /（mm×mm）DN4 000×8 8001.2 塔器的强度计算与稳定性校核（1）风载荷和地震载荷计算大型塔器大多采用裙座自支撑式的高耸结构，计算自振周期时一般将其简化为底端固定，另一端为自由悬臂梁并作平面弯曲振动的计算模型。

浅谈石油化工塔型设备基础的结构设计及设计要点摘要：塔式设备在石油、化工等行业中占有很大的比重，塔式设备包括设备本体、附属构筑物和支撑塔式设备的地基。

其中辅助结构包括操作平台、扶手、梯子等。

塔基支撑塔式设备的受力分为竖向荷载和横向荷载两种。

因此，必须采用合理的结构设计，保证塔基的坚固、适用、经济、合理。

塔基的设计要考虑到风荷载和地震效应，在进行塔基结构设计时，必须清楚塔基上的载荷。

因此本文主要对石油化工塔形设备的相关基础结构设计要求和要点等进行简单的介绍，希望能够为行业内的相关人员提供一定的参考。

关键词：塔型设备；附属构筑物；结构设计；要点；参考引言：塔形设备基础结构是一种较为重要的高耸建筑，在石油化工等行业都有应用。

按生产工艺分为吸收塔、裂解塔、热再生塔、蒸发塔等。

从受力上看，这种结构具有较高的挠度，而且有一定的横向干扰，其干扰形式为风荷载和地震作用。

由于受以上两种水平作用力的影响，塔身结构的地基就成了塔的关键。

为保证该塔的安全运行，既要保证该塔的设计工作正常进行，又要保证该塔的设计与其紧密相连，并与之相适应。

所以，结构设计师必须对相关的知识有足够的了解。

1.石油化工塔形设备概述石油化工塔型装置是石化工业中经常使用的一种装置，其对工艺的生产能力、产品质量、能耗、原料消耗、环保等都有很大的影响。

根据统计，石化行业的能源消耗在整个行业的能源消耗中占有相当大的比重，60%以上的能源都被用在了蒸馏装置上。

化工、石化项目总投资约占总投资30%~40%。

塔式设备的分离效率，是产品纯度，产品回收率，工业过程的能源消耗。

总体上可划分为：地面框架塔、底部框架塔、边框框架塔、排塔。

最常用的是斜塔和斜塔。

塔式设备基础设计时，应先确定其荷载，塔基上的荷载可以分成两种：永久性负荷与可变负荷：结构自重、各种管线及保温重、平台、栏杆、梯子重量等；可变荷载包括风荷载、平台活荷载、充水荷载等。

在地震带的设计中，也要考虑到地震的影响。

大型塔器“立装成段、整体就位”工法作者简介：冀林柱同志1968年毕业于北京石油学院有机系，现任第三工程公司总工程师，高级工程师。

多年来，该同志一直从事石油化工装置施工的技术和技术管理工作，并曾组织审核过多项工法及主笔编制了《大型塔器分段倒装整体吊装工法》，该工法被建设部评为96年度国家级（一级）工法；《加氢裂化高压管道施工工法》、《顶烧转化炉安装工法》被评为98年度总公司级（二级）工法。

该同志先后在有关杂志上多次发表过施工论著，其中“10000m3球罐施工技术和质量控制”获石油工程建设杂志优秀论文一等奖。

陈会利同志1985年毕业于抚顺石油学院化机系，现任宁化项目经理，高级工程师。

该同志先后参加了天津石化煤代油电厂、辽化项目、锦州炼厂等工程的施工，有着丰富的施工经验，并参加了本工法编写，本工法被评为总公司级（二级）工法。

张甫桃同志1978年毕业于上海复旦大学力学系，现任三公司吊装责任工程师，高级工程师。

该同志先后负责辽化工程、石家庄工程等很多大型项目的吊装工作，有着丰富的吊装经验，并参加了本工法的编写。

本工法被评为总公司级（二级）工法。

一、前言随着炼油化工装置的大型化，受运输条件的限制，需要现场拼装、焊接、吊装就位的大型、重型塔器越来越多。

在国内现有装具（桅杆最大350t/64m，吊车最大500t）的条件，针对塔器现场拼装工作量大，交叉作业频繁等特点，本工法采用“立装成段，高架滑移，倒装成形，整体就位”的方法，解决了高基础、大型、重型塔器的现场拼、焊、热处理、吊装等问题，且工期短、成本低、质量好。

二、适用范围本工法适用于炼油化工装置直径大于5.0m，吊重700～1200吨的现场组焊各种塔器。

特别适用于基础标高2～4m的塔器现场施工。

同时适用于其它行业类似设备的现场施工。

三、特点1、本工法采用“立装成段”的方法，即把塔体分成若干“大段”（见图一），将塔分成Ⅷ大段，分别组焊成形，完成内件、附件安装、热处理等作业，创造了作业面，减少了高处作业，采用流水作业方法，保证了质量，缩短了工期。

《在塔设备设计中如何判断是否加框架支撑》➢高径比(H/ D)较大的塔在风载荷的作用下, 在塔顶处会引起一定的静挠度。

因此在完成初步的塔设计后, 还要验算塔设备的挠度值是否在允许的范围内, 进而决定塔是否需要加框架支撑。

本文通过实例中对塔的强度及挠度的计算, 来判断是否加框架支撑。

➢按GB150 -98《钢制压力容器》[ 1] 和全国压力容器标准化技术委员会的SW6《压力容器设计计算程序软件包》进行计算。

➢是否要加框架,和塔顶挠度有关：要降低塔顶的挠度, 可以采用增大塔径或壁厚得到。

一般来说塔径由工艺计算而得,改变它较难, 而壁厚与塔顶挠度成反比关系, 因此对高径比(H/D)较小的塔, 以塔壁厚的大小来调整塔顶挠度的大小比较有效果和合理, 对高径比(H/D)较大的细高型塔, 加框架支撑对减少塔顶挠度会有明显的效果。

塔式容器整体应力分析及评定➢塔器的现行设计方法均基于常规设计方法进行[ 2]（JB4710-1992 ,钢制塔式容器）,常规设计通过解析法计算出在考虑不同载荷组合情况下的初设计结构各危险截面的应力, 进而对计算出的应力进行评定,实现对塔器的有效设计。

由于解析法的力学构建基础模型不可能对实际结构的复杂性进行详尽的考虑, 因此实际上计算结果和具体的结构存在或大或小的差异, 加之对各种应力采用统一的弹性实效准则进行控制,也给实际工程中材料的有效利用造成了一定的影响。

➢完整的塔器分析应考虑以下载荷:①压力作用, 液柱静压力作用超过设计压力的5 %时尚应计及液柱静压的作用。

②塔器的自重作用。

③风载的面力作用。

④地震的体力作用, 包括水平地震力和垂直地震力, 一般情况下只考虑水平地震的作用。

⑤偏心载荷。

➢在塔器分析中应分别计算自重载荷、内压载荷、风载荷、地震载荷、偏心载荷和压力试验载荷引起的应力。

于工程分析中采用弹性分析来处理具体问题, 因此, 在塔器应力分析中各种载荷引起的应力就可以分别计算, 进而采用线性叠加的方法来计算各种载荷组合工况下的应力。

塔设备除了应满足特定的化工工艺条件外，为了满足工业生产的需要还应满足下列要求：1、生产能力大，即气液处理量大。

2、高的传质、传热效率，即气液有充分的接触空间，接触时间和接触面积。

3、操作稳定、操作弹性大，即气液负荷有较大波动时仍能在较高的传质效率下稳定的操作，且塔设备能长期连续运转。

4、流体流动的阻力小即流体通过塔设备的压力降小，以达到降低操作费用的要求。

5、结构简单可靠，材料耗用量小，制造安装容易，以达到降低设备投资的要求。

塔设备的总体结构包括塔体、塔体支座、除沫器、接管、人孔和手孔，以及塔内件。

按塔的内件结构分为板式塔和填料塔。

常见的板式塔：泡罩塔，优点：操作弹性大，液气比的范围大，不易堵塞，能适用于多种介质，操作稳定可靠。

缺点：结构复杂，造价高，安装维修麻烦，气相压力降大。

泡罩塔盘主要包括泡罩，升气管，溢流管及降液管。

筛板塔：优点：结构简单，制造维修方便，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板压力降低，适用于真空蒸馏，塔板效率高，但稍低于浮阀塔，具有较高的操作弹性，但稍低于泡罩塔，缺点：小孔径筛板易堵塞，不易处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液。

筛板塔盘分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管浮阀塔优点：其生产能力比圆形泡罩塔提高20%--40%，接近于筛板塔，能在较宽的流量范围内保持高的效率，操作弹性为5--9，比筛板泡罩和舌形塔板大的多，塔板效率比泡罩塔高15%左右，操作周期较泡罩塔长，清理也节省时间，结构简单，安装容易制造费用仅为泡罩塔盘的60%--80%但为筛板塔的120%--130%舌形塔优点：液面落差小，塔盘上液层薄、持液量小、压力降小，处理能力大，塔盘结构简单，可节省钢材12%--45%，安装维修方便。

缺点：操作弹性小（仅2---4)塔板效率低浮动舌形塔优点：操作弹性大，效率高，温度性好，处理量大，低压降，雾沫夹带小缺点：舌片易损坏穿流式柵板塔优点：结构比一般筛板塔还简单，制造容易，安装维修方便，节省材料和投资，生产能力大，开孔率大，压力降小适用于真空蒸馏，污垢不易沉积，孔道不易堵塞。

塔式容器要点⼆. 钢制塔式容器的适⽤范围●JB/T 4710-2005《钢制塔式容器》●独⽴标准；●适⽤于H/D＞5，且⾼度H＞10m裙座⾃⽀承的塔式容器；●H —总⾼(基础环板下表⾯⾄塔器上封头切线处的⾼度）；● D —塔壳的公称直径。

●对不等直径塔式容器（加权平均值）：D=D1 L1/H + D2 L2/H +···●不适⽤于带有拉牵装置的塔器（如：烟囱）；●不适⽤于带有夹套的塔式容器。

塔式容器必须是⾃⽀承的。

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，计算臂厚取决于压⼒或最⼩厚度。

钢制塔式容器设计参数1①塔式容器应考虑的载荷：5.1.4 P8a. 压⼒载荷:设计压⼒；液柱静压⼒（当液柱静压⼒⼩于5%的设计压⼒时可忽略不计）；试验压⼒；b. 重⼒载荷：塔器空重：包括塔器壳体（圆筒和封头）、裙座和附件（如接管、管嘴、⼈孔、法兰、⽀承圈、⽀座和不可拆的内件等）的重⼒载荷；可拆的内件重⼒载荷：如填料（催化剂）、可拆塔盘板、除沫器、催化剂等的重⼒载荷；物料的重⼒载荷：指正常⼯作状态下物料的最⼤重量。

对于固体物料（颗粒料或粉料），应按堆积密度计算重⼒载荷；试压（或试漏）液体的重⼒载荷；隔热材料重⼒载荷：如保温或保冷层及其⽀持件的重⼒载荷；其他附件的重⼒载荷：如与塔直接连接的钢平台、扶梯、⼯艺配管及管架等附件的重⼒载荷。

c. 风载荷：顺风和横风向；d. 地震载荷：⽔平地震⼒和垂直地震⼒（沿塔⾼成倒三⾓形分布）；e.偏⼼载荷；f.管道外载荷（管道推⼒和⼒矩）；g.由塔外部附件（如管架、⽀座或其他悬挂在塔器上的设备）引起的外载荷；h.由于热膨胀量或线膨胀系数的不同引起的作⽤⼒。

②塔式容器应考虑的⼯况：a. 安装⼯况；b. ⽔压试验⼯况；c. 操作⼯况；d. 检修⼯况。

③从载荷性质上分：可以分为静载荷和动载荷a. 载荷⼤⼩、⽅向甚⾄作⽤点等不随时间变化的是静载荷，（如压⼒载荷，重⼒载荷）；随时间变化的是动载荷,（如风载荷，地震载荷）b. 动载荷能使结构产⽣加速度，引起结构振动。

电力工程技术一、实际吊装过程中的质量估算在实际吊装的过程中，要对塔器的总质量进行估算，其与吊装计算、筹划设计等工作有直接关系，是十分重要的参考数据，可以用于判断选择哪种施工方式、施工工具。

在现场施工的过程中，要估算其总质量，就要考虑以下几个方面：塔器本身的总质量，包括封头、筒体、人手孔、接管等组成部分；第二，各类内件、焊接件的质量，包括支撑圈、支撑座等等；第三，各类附件、支撑构件的质量，包括吊耳、尾耳等构建；第四，预焊件的质量，包括梯子平台、管架等；第五，内部构件的质量，这些内部构建不能从人孔装入，也不能从工艺管口装入，在塔体进行封焊之前就要将这些构件装入，所以要先做质量估算，包括支撑梁、分布器等等；第六，一些外部设施的质量也需要计算，包括梯子、附塔管线等等。

通常，现场吊装要考虑到高空作业的危险性和施工难度，所以许多施工单位会使用梯子、平台等保护措施，也会附加一些支撑管架、管线等，这些设施都应该计算在塔器质量之内。

如果在吊装计算后，发现没有足够的设计余量，或者不能对附塔大管线、梯子、平台等进行质量估算，则要在图纸中详细规划塔器吊装可使用的最大吊装质量，以此确保现场施工的安全性和可行性。

二、大型塔器吊装设计的具体方式１．塔体分段吊装目前，塔器的规模在不断增大，在实际吊装的过程中，一些大型塔器的质量甚至可以超过千吨，即使吊车的吊装能力超过１２００ｔ，但由于塔器比较高，所以无法进行整体吊装，只能采用分段吊装的方式，可以在空中进行组焊。

虽然采用分段吊装的方式（如图１），但在条件允许的情况下，应该尽量减少分段数量，这样可以减少环焊缝数量。

如果塔器需要进行分段焊接，首先要明确分段位置，确保吊装施工的顺利开展。

施工单位和设计单位要进行协商配合，选择最佳的设计和施工方案。

如果没有明确施工单位但已经进行吊装设计，通常要考虑吊装物件的高度，高度越高吊车可吊装的质量越小，塔顶部分的质量较轻，确保吊车性能能够满足吊装需求，塔底部分的质量可以相对重一些。