超大塔式容器頂部承重結(jié)構(gòu)設計

馬險峰

（廣州廣重企業(yè)集團有限公司，廣州 511495）

塔式容器（簡稱塔器）在石油化工行業(yè)得到廣泛應用。典型的塔器頂部只有接管、平臺等少量裝置，頂部承受的載荷主要是內(nèi)壓、外壓或最大壓差，頂部平臺、管道等的重力，風載荷，地震載荷，雪載荷，連接管道的作用力，等等。通常，塔頂不用承受較大的附屬設備重力載荷，采用橢圓封頭等標準封頭或錐頂、拱頂結(jié)構(gòu)即可，但有些特殊的塔器，特別是大型、超大型塔器，當塔頂要安裝較重的附屬設備時，就需要專門設計其塔頂承重結(jié)構(gòu)，以保證設備安全、正常運行。

國內(nèi)設計塔（罐）頂承重結(jié)構(gòu)，通常采用自支撐結(jié)構(gòu)和立柱支撐結(jié)構(gòu)。自支撐結(jié)構(gòu)就是利用封頭自身來承受載荷，而立柱支撐結(jié)構(gòu)則是利用設置立柱來承受載荷，通常是將立柱設置在塔（罐）內(nèi)部，國內(nèi)在這方面都有較多使用案例介紹[1-3]，但所有介紹案例均沒有涉及罐頂須承擔較重附屬設施載荷的情 況。

本文提出了在大型、超大型塔器頂部設置籠型鋼結(jié)構(gòu)來承受塔頂較重附屬設備載荷的設計方案。在分析計算并實際應用后，證明該設計方案是可行的。

1 設備特點

某造紙設備反應塔（見圖1），其主要參數(shù)見表 1。

表1 主要參數(shù)表Table 1 Main parameters

該設備是H/D＜5 的超大型塔式容器，底部直徑最大，至頂部直徑收縮至10 100 mm，從裙座底部至塔頂設備法蘭面，總高為45 204 mm。設備底部由裙座支撐，留有足夠空間以便安裝出料裝置。為控制塔頂內(nèi)部氣相空間及控制設備總高，塔頂采用錐形封頭結(jié)構(gòu)，錐角150°。另外，塔頂須安裝喂料設備，并設置兩層平臺便于操作和維護。由于設備較高及設備安裝場地周圍限制，塔頂附屬設備載荷不宜由地面設置支撐柱來承擔。

2 塔頂載荷分析

根據(jù)設備的工作情況，塔頂?shù)妮d荷有：

（1）內(nèi)壓載荷。設備設計內(nèi)壓是常壓，所以塔頂承受的內(nèi)壓載荷為0。

（2）附屬設備重力載荷。塔頂安裝的喂料設備，其重量構(gòu)成了塔頂承擔的附屬設備重力載荷。該設備重達80 t，即塔頂附屬設備重力載荷G附≈800 000 N。

（3）平臺的重力載荷。為滿足塔頂安裝喂料設備的操作維護需要，塔頂須設置兩層平臺，質(zhì)量共12.8 t，即平臺重力載荷G平臺≈128 000 N。

（4）塔頂錐殼自重。塔頂錐殼自重取決于塔頂板厚取值。

（5）其他載荷。塔頂會隨設備整體一起承受風載荷、地震載荷、雪載荷。其中風載荷F風=800 N/ m2。設備安裝區(qū)域抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10 g，地面場地土類型為II 級。安裝當?shù)爻Ｄ隉o雪，雪載荷取0。

3 塔頂承重結(jié)構(gòu)方案設計

常壓塔器的塔頂結(jié)構(gòu)，目前都是按照NB/T 47041—2014[4]、NB/T 47003.1—2009[5]等 標 準 相 關要求進行計算和設計，大型常壓塔頂也可按照標準GB 50341—2014[6]進行設計。根據(jù)使用工況要求，本設備塔頂結(jié)構(gòu)參照GB 50341—2014 標準設計[7-8]。

塔頂承重結(jié)構(gòu)設計，包括塔頂錐形封頭和承重支撐結(jié)構(gòu)的設計。設計原則是塔頂既要能承受所有載荷、滿足使用工況要求，又要使塔頂壁厚適當、材料成本合理。

3.1 自支撐塔頂承重結(jié)構(gòu)

本承重結(jié)構(gòu)中，所有載荷均由封頭自身來承擔。

塔頂板初步取12 mm 厚，由此計算出塔頂錐殼重量G頂= 88 150 N。

故塔頂固定載荷：

DL=G附+G平臺+G頂

= 800 000 + 128 000 + 88 150

= 1 016 150 N

雪載荷Lr= 0

設計真空外壓Pe= 0 kPa

塔頂內(nèi)徑D= 10.1 m

塔頂錐角θ= 15°

所以，塔頂設計總外壓力：

根據(jù)GB 50341—2014，公式7.3.2

因此，在塔頂板厚初步取值12 mm 的基礎上，計算得到的結(jié)果顯示塔頂板厚度至少要達到19.5 mm。

3.2 立柱支撐塔頂承重結(jié)構(gòu)

由于塔高達42 m 以上，在塔內(nèi)部設置從地面到錐頂?shù)闹沃?，支撐柱細長比會超過標準限值，況且由裙座支撐的標準橢圓形下封頭也不方便布置支撐錐頂?shù)牧⒅?。故在本項目中，將支撐柱設置在塔內(nèi)部滿足不了使用要求。

根據(jù)使用工況和現(xiàn)場情況，設計由塔筒體與塔頂共同承擔載荷的塔頂承重結(jié)構(gòu)方案，見圖2。本方案特點是圍繞塔筒上段設置并焊接一圈豎直支撐柱，支撐柱的下端由圍繞焊在筒體上的一圈型鋼支撐，支撐柱上端在塔筒頂端折向、沿錐形封頭外表面伸向中心法蘭并與中心法蘭相焊，同時支撐柱底板也與塔頂錐殼板相焊，使塔頂錐殼板與支撐柱形成一體。

圖2 錐頂支撐結(jié)構(gòu)Fig.2 Support design for cone head

4 方案可行性分析

為簡化計算過程，將所有載荷由支撐柱、型鋼組成的籠形鋼結(jié)構(gòu)承擔、錐頂殼不承擔載荷作為計算基礎。

支撐柱選用YB 3301—2005[9]的焊接H 型鋼，其截面形狀及尺寸見圖3。

圖3 支撐柱截面Fig.3 Section dimensions of support column

其中，Ix= 33 940 cm4，Wx= 1 940 cm3。

支撐柱是由Q345B 鋼板拼焊而成。 根據(jù)GB 50341—2014 表4.1.6 和 表4.2.2， [σ] = 183 MPa，彈性模量E≈1.94×105MPa。

單獨每根支撐柱承受載荷（共16 根支撐柱）：

該方案單根支撐柱的受力分析見圖4。

圖4 受力分析圖Fig.4 Force analysis

其中，F(xiàn)單柱垂直于支撐柱長度方向，使支撐柱產(chǎn)生彎曲變形。

由于中心法蘭是長矩形結(jié)構(gòu)，各柱依位置不同而長度L也不同。

F單柱=W單柱×cos15°

最大彎矩Mmax=F單柱×L

由機械設計手冊[10]中表1-1-96：

各柱最大彎曲應力及柱端撓度計算情況見表2。

表2 計算結(jié)果Table 2 Calculation results

從計算結(jié)果可知，在所有載荷僅由型鋼、支撐柱組成的籠形鋼結(jié)構(gòu)承擔的情況下，支撐柱的彎曲應力強度沒有超出許用彎曲應力強度值，且單柱柱端撓度最大沒有超過35 mm。

由于以上計算結(jié)果沒有計入塔頂錐殼承受載荷、沒有考慮各柱變形撓度不同所產(chǎn)生的變形協(xié)調(diào)效應，支撐柱實際最大應力值和柱端最大撓度將低于計算值。

因所有載荷由支撐柱、型鋼組成的籠形鋼結(jié)構(gòu)承擔、錐頂殼不承擔載荷，錐頂板厚度的取值僅考慮滿足剛度要求即可。根據(jù)標準GB 50341—2014 的7.3.2 條，錐頂板厚度取12 mm。

5 其他載荷影響

本設備塔頂會隨設備整體一起承受地震載荷、風載荷。按照標準NB/T 47041—2014 對本設備進行風載荷、地震載荷的計算。最終計算結(jié)果表明，在風載荷作用下，塔頂最大撓度是1.56 mm。水平地震剪切力、彎矩和風載荷剪切力、彎矩均能由裙座地腳螺栓承擔。

6 結(jié)論

2014 年開展本反應塔的設計、制造，2015 年開始投入使用，至今該反應塔已連續(xù)、正常運行超過5年，證明此塔頂承重結(jié)構(gòu)的設計是可行的、可靠的。

從該塔頂承重結(jié)構(gòu)的設計及應用結(jié)果中，可以得到以下結(jié)論：

（1）對于大型、超大型塔器，當塔頂要安裝較重的附屬設備時，可以采用由型鋼、支撐柱組成的籠形鋼結(jié)構(gòu)承擔所有載荷的設計方案；

（2）對于大型、超大型塔頂承重結(jié)構(gòu)，支撐柱可以不布置在塔內(nèi)部，而是設置在塔筒體上段外部。這種結(jié)構(gòu)避免了從地面到塔頂?shù)闹沃O計方式，解決了布置支撐柱的地面場地限制問題，大大縮短了支撐柱長度，明顯可以節(jié)約支撐柱的制造成本；

（3）在塔頂需要承擔較大附屬設備載荷時，采用由鋼結(jié)構(gòu)來承擔載荷，可以不增加塔頂板厚度，節(jié)約制造成本。