第十七章塔设备强度设计计算
一、塔体的强度计算
安装在室外的高度与直径比（H/D）较大的塔设备，除承受操作压力外，还要承受质量载荷、风载荷、地震载荷和偏心载荷等，见塔设备各种载荷示意图。因此，在进行塔设备设计时必须根据受载情况进行强度计算与校核。
塔设备各种载荷示意图
㈠按设计压力计算筒体及封头壁厚
按本篇第十五章"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
当塔为内压时，在塔壁上引起周向及轴向拉应力；当塔为外压时，在塔壁上引起周向及轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。
２．质量载荷
塔设备的质量包括塔体、裙座体、内构件、保温材料、扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。
设备操作时的质量
m0=m1+m2+m3+m4+m5+m a+m e（4-42）
设备的最大质量（水压
试验时）
m max
（4-43）
=m1+m2+m3+m4+m w+m a+m e
设备最小质量m min =m1+0.2m2+m3+m4+m a+m e（4-44）
式中：
m1:塔体和裙座质量，K g；
m2:内件质量，K g；
m3:保温材料质量，K g；
m4:平台、扶梯质量，K g；
m5:操作时塔内物料质量，K g；
m a:人孔、接管、法兰等附件质量，K g；
m e:偏心质量，K g；
m w:液压试验时，塔内充液质量，K g；
0.2m 2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。 当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则m min 应扣除m 3和m 4。
在计算m 2、m 4及m 5时，若无实际资料，可参考表4-25进行估算。
表4-25 塔设备部分内件、附件质量参考值
㈢ 圆筒的应力
1．塔设备由内压或外压引起的轴向应力
（4-55）
式中 σ1-由内压或外压引起的轴向应力，MP a ； p -设计压力，MP a ； D i -筒体内径，mm ； δei -i -i 截面处筒体有效壁厚，mm 。
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）
（4-56）
式中：
σ2-重量及垂直地震力引起的轴向应力，MP a ；
m o i-i-任意计算截面i-i以上塔体承受的操作或非操作时的质量，Kg。其中F v i-i仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。
3．最大弯矩在筒体内引起的轴向应力
各种载荷在塔设备上引起的弯矩有风弯矩M W、地震弯矩M E、偏心弯矩M e。由于所给的气象资料是该地区的最大平均风速和可能出现的最大地震烈度，而实际上，风载荷和地震载荷同时达到最大值的几率是极小的。如按两者相加计算，未免过于保守。通常，在正常操作条件下最大弯矩按下式取值：
（4-57）
水压试验的时间往往是人为选定的，而且实验时间较短，所以，在实验情况下最大弯矩取值
（4-58）
最大弯矩在筒体中引起的轴向应力
（4-59）
式中 3-最大弯矩在筒体中引起的轴向应力，MP a；
㈣筒体壁厚校核
１．最大轴向组合应力的计算
各种载荷引起的轴向应力，以"+"表示拉应力，以"-"表示压应力，各种轴向应力的符号见表4-33。
表4-33 各种载荷引起的轴向应力符号
（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
（4-60）
② 最大组合轴向压应力，出现在停修时的背风侧，即
（4-61）
（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
（4-62）
② 最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即
（4-63）
2. 强度与稳定性效核
根据正常操作时或停车检修时的各种危险情况，求出的最大组合轴向应力，必须满足强度条件与稳定性条件，如表4-34所示。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。
表4-34 轴向最大应力的校核条件
K
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，在第十五章有过阐述，见式（4-16）。
② 最大组合轴向拉应力
（4-64）
(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
（4-65）
式中K为载荷组合系数，取K=1.2。
对于塔体而言，其最大的风弯矩引起的弯曲应力σ3i-i发生在裙座和塔体的连接截面2-2上。对于裙座来讲，σ3i-i的最大应力发生在裙座底截面0-0或人孔截面1-1上。
质量载荷：
塔设备的质量包括塔体、裙座体、内构件、保温材料、扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。
设备操作时的质量
m0=m1+m2+m3+m4+m5+m a+m e（4-42）
设备的最大质量（水压
试验时）
m max
（4-43）
=m1+m2+m3+m4+m w+m a+m e
设备最小质量m min =m1+0.2m2+m3+m4+m a+m e（4-44）
式中：
m1:塔体和裙座质量，K g；
m2:内件质量，K g；
m3:保温材料质量，K g；
m4:平台、扶梯质量，K g；
m5:操作时塔内物料质量，K g；
m a:人孔、接管、法兰等附件质量，K g；
m e:偏心质量，K g；
m w:液压试验时，塔内充液质量，K g；
0.2m2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则m min应扣除m3和m4。
在计算m2、m4及m5时，若无实际资料，可参考表4-25进行估算。
表4-25 塔设备部分内件、附件质量参考值
