馬險(xiǎn)峰

（廣州廣重企業(yè)集團(tuán)有限公司，廣州 511495）

塔式容器（簡(jiǎn)稱塔器）在石油化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。典型的塔器頂部只有接管、平臺(tái)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(tái)、管道等的重力，風(fēng)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(shè)備重力載荷，采用橢圓封頭等標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)塔頂要安裝較重的附屬設(shè)備時(shí)，就需要專門設(shè)計(jì)其塔頂承重結(jié)構(gòu)，以保證設(shè)備安全、正常運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)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(lái)承受載荷，而立柱支撐結(jié)構(gòu)則是利用設(shè)置立柱來(lái)承受載荷，通常是將立柱設(shè)置在塔（罐）內(nèi)部，國(guó)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(méi)有涉及罐頂須承擔(dān)較重附屬設(shè)施載荷的情 況。

本文提出了在大型、超大型塔器頂部設(shè)置籠型鋼結(jié)構(gòu)來(lái)承受塔頂較重附屬設(shè)備載荷的設(shè)計(jì)方案。在分析計(jì)算并實(shí)際應(yīng)用后，證明該設(shè)計(jì)方案是可行的。

1 設(shè)備特點(diǎn)

某造紙?jiān)O(shè)備反應(yīng)塔（見(jiàn)圖1），其主要參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 主要參數(shù)表Table 1 Main parameters

該設(shè)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(shè)備法蘭面，總高為45 204 mm。設(shè)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(shè)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(shè)備，并設(shè)置兩層平臺(tái)便于操作和維護(hù)。由于設(shè)備較高及設(shè)備安裝場(chǎng)地周圍限制，塔頂附屬設(shè)備載荷不宜由地面設(shè)置支撐柱來(lái)承擔(dān)。

2 塔頂載荷分析

根據(jù)設(shè)備的工作情況，塔頂?shù)妮d荷有：

（1）內(nèi)壓載荷。設(shè)備設(shè)計(jì)內(nèi)壓是常壓，所以塔頂承受的內(nèi)壓載荷為0。

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

（3）平臺(tái)的重力載荷。為滿足塔頂安裝喂料設(shè)備的操作維護(hù)需要，塔頂須設(shè)置兩層平臺(tái)，質(zhì)量共12.8 t，即平臺(tái)重力載荷G平臺(tái)≈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(huì)隨設(shè)備整體一起承受風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷。其中風(fēng)載荷F風(fēng)=800 N/ m2。設(shè)備安裝區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，地面場(chǎng)地土類型為II 級(jí)。安裝當(dāng)?shù)爻Ｄ隉o(wú)雪，雪載荷取0。

3 塔頂承重結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

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(biāo) 準(zhǔn) 相 關(guān)要求進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，大型常壓塔頂也可按照標(biāo)準(zhǔn)GB 50341—2014[6]進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)使用工況要求，本設(shè)備塔頂結(jié)構(gòu)參照GB 50341—2014 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[7-8]。

塔頂承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括塔頂錐形封頭和承重支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(dāng)、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(lái)承擔(dān)。

塔頂板初步取12 mm 厚，由此計(jì)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(tái)+G頂

= 800 000 + 128 000 + 88 150

= 1 016 150 N

雪載荷Lr= 0

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(chǔ)上，計(jì)算得到的結(jié)果顯示塔頂板厚度至少要達(dá)到19.5 mm。

3.2 立柱支撐塔頂承重結(jié)構(gòu)

由于塔高達(dá)42 m 以上，在塔內(nèi)部設(shè)置從地面到錐頂?shù)闹沃?，支撐柱?xì)長(zhǎng)比會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，況且由裙座支撐的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形下封頭也不方便布置支撐錐頂?shù)牧⒅?。故在本?xiàng)目中，將支撐柱設(shè)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(chǎng)情況，設(shè)計(jì)由塔筒體與塔頂共同承擔(dān)載荷的塔頂承重結(jié)構(gòu)方案，見(jiàn)圖2。本方案特點(diǎn)是圍繞塔筒上段設(shè)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(shí)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(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，將所有載荷由支撐柱、型鋼組成的籠形鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)、錐頂殼不承擔(dān)載荷作為計(jì)算基礎(chǔ)。

支撐柱選用YB 3301—2005[9]的焊接H 型鋼，其截面形狀及尺寸見(jiàn)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(dú)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(jiàn)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(zhǎng)度方向，使支撐柱產(chǎn)生彎曲變形。

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

F單柱=W單柱×cos15°

最大彎矩Mmax=F單柱×L

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]中表1-1-96：

各柱最大彎曲應(yīng)力及柱端撓度計(jì)算情況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results

從計(jì)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(dān)的情況下，支撐柱的彎曲應(yīng)力強(qiáng)度沒(méi)有超出許用彎曲應(yīng)力強(qiáng)度值，且單柱柱端撓度最大沒(méi)有超過(guò)35 mm。

由于以上計(jì)算結(jié)果沒(méi)有計(jì)入塔頂錐殼承受載荷、沒(méi)有考慮各柱變形撓度不同所產(chǎn)生的變形協(xié)調(diào)效應(yīng)，支撐柱實(shí)際最大應(yīng)力值和柱端最大撓度將低于計(jì)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(dān)、錐頂殼不承擔(dān)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備塔頂會(huì)隨設(shè)備整體一起承受地震載荷、風(fēng)載荷。按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47041—2014 對(duì)本設(shè)備進(jìn)行風(fēng)載荷、地震載荷的計(jì)算。最終計(jì)算結(jié)果表明，在風(fēng)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(fēng)載荷剪切力、彎矩均能由裙座地腳螺栓承擔(dān)。

6 結(jié)論

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

從該塔頂承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用結(jié)果中，可以得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于大型、超大型塔器，當(dāng)塔頂要安裝較重的附屬設(shè)備時(shí)，可以采用由型鋼、支撐柱組成的籠形鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)所有載荷的設(shè)計(jì)方案；

（2）對(duì)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(shè)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(shè)計(jì)方式，解決了布置支撐柱的地面場(chǎng)地限制問(wèn)題，大大縮短了支撐柱長(zhǎng)度，明顯可以節(jié)約支撐柱的制造成本；

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