化工设备塔器设计的注意事项

塔器的类型有很多种， 在化工设备设计中涉及的内容广泛， 随着设备大型化的发展， 操作工况苛刻的塔器越来越多。 从设计到制造安装， 大型塔器相比简单的压力容器， 难度系数大， 工况复杂， 造价高， 注意事项较多， 为确保设计过程中不出现疏漏， 避免经济损失， 设计人员应重视设计过程的每个环节， 比如对于对高径比H/D>15且高度H>30m的塔器， 裙座与下封头对接焊缝连接处在横风向共振的作用下， 容易产生疲劳破坏， 应进行塔的横风向共振判别和校核计算， 并提出由于横风向共振失效的防范措施。 设计人员应从设计角度尽最大可能避免问题的出现， 保证安全生产。 本文针对塔器设计中需注意的一些事项进行描述， 为工程设计人员提供参考。

1 液压试验的注意事项

设计压力比较低、 且塔器比较高的情况下，液压试验时的液柱静压力起主要决定的作用， NB/T 47041-2014《塔式容器》 标准中， 对塔器的液压试验压力， 卧置试验时要考虑液柱静压力的影响， 即在设计压力比较小的情况下， 计算压力和试验压力都要考虑液柱静压力的作用。 在液柱静压力小于设计压力5%的情况下， 液柱静压力的影响可以忽略不计， 当液柱静压力超过按照标准规范计算的试验压力的6%时， 就要考虑液柱静压力的影响。 JB 4732-1995（2005年确认） 《钢制压力容器—分析设计标准》 中3.7.1.2节的规定， 按照以下进行评定。

液压试验时：

(a)试验温度下计算求得的一次总体薄膜应力强度SI应不超过试验温度下材料的屈 服强度R eL (R P0.2 )的90%；
(b)计算求得的一次薄膜加一次弯曲应力的应力强度SII， 应不超过下列两式给出的限制值：

当SI≤0.67 R eL (R P0.2 )时， SII≤1.35R eL (RP 0.2 )；
当0.67 R eL (R P0.2 )＜ SI≤0.90 R eL (R P0.2 )时，

SII≤2.15R eL (R P0.2 )-1.2 SI； JB 4732-1995（2005年确认） 《钢制压力容器—分析设计标准》 对液压试验的要求是在腐蚀前进行的， 而ASME Ⅷ 2篇根据客户的要求， 可以选择腐蚀前和腐蚀后进行计算。

2 塔壳局部应力校核的注意事项

当塔体上作用外载荷， 比如管道的推力（力和弯矩） ， 或者是塔内 外附件（ 比如支座、 吊耳、 管架、 支撑梁等） 的作用力， 应进行塔的局部应力校核， 一般情况下， 接管能承受的管线外载荷， 见SH/T 3074-2007附录D的规定， 超出范围应进行详细的应力分析计算。 塔的局部应力计算与校核可采用应力分析计算方法， 比如塔器壳体上挂再沸器的情况， 再沸器支架生根在塔器壳体上， 再沸器支架可由钢结构专业进行计算， 可以选用满足承载能力要求的型钢， 但支架与塔器壳体连接处的局部应力需要进行校核， 通常由设备专业来进行局部应力计算， 以确定塔器壳体壁厚是否满足要求。 通常情况下， 通过设置垫板， 起到缓解应力梯度的变化， 保护壳体的作用， 支架与支耳通常采用焊接或螺栓连接， 此时应保证螺栓或焊缝的强度能够满足要求， 而不应在连接处存在安全隐患。 再如塔器整体吊装时， 需要在塔体上部1/3重心处设置吊耳， 一般是轴式吊耳， 按照HG/T 21574-2008《化工设备吊耳及工程技术要求》 中的规定， 轴式吊耳的选用对壳体最小壁厚是有要求的， 不仅要求吊耳结构本身要满足载荷的强度要求， 而且吊耳与壳体之间的局部应力更应满足要求， 除了吊装公司的以往操作经验， 应采用详细的应力分析计算， 保证吊装过程的安全。

对于用 复合钢板制造的塔器， 其重型支撑梁的支撑件不宜直接与复层相焊， 而应与基层相焊， 支持件与基层焊接前， 沿焊缝方向距离焊脚边缘至少10mm宽的复层应彻底清除， 支持件与基层焊接并按图样规定进行检测合格后， 再进行局部复层的焊接。

3 地脚螺栓的注意事项

根据NB/T 47041-2014《塔式容器》 标准，裙座和地脚螺栓的设计温度， 应考虑建塔地区环境温度的影响， 取月 平均最低气温的最低值加20℃ 。 设计温度低于20℃ 时， 取20℃ 的许用 应力。 标准推荐地脚螺栓设计温度大于-20℃时， 可选用Q235B或Q235C材料， 当地脚螺栓设计温度小于等于-20℃时， 可选用Q345D或Q345E材料，其中Q345D材料可以用到-20℃， Q345E材料可以用到-40℃。 某项目 设在黑龙江省肇东市， 月 平均最低气温可达到-38℃ ， 地脚螺栓设计温度应为-18℃， 可选用Q345D材料， 但为避免极端低温的出现， 避免脆断的发生， 考虑到地脚螺栓的重要性， 地脚螺栓的选用最终选用Q345E材料。 地脚螺栓数量一般是4的倍数， 且不少于8个， 图纸上裙座基础环板地脚螺栓孔的布置一般都是跨中均布， 而且用标记指向南北方位， 从而要求基础构件中地脚螺栓的预埋要和裙座基础环板对应， 否则容易出现塔器安装后， 管口方位出现不对应的现象发生。 某项目 设备裙座图纸中的地脚螺栓孔布置与土建专业预埋螺栓的方位不一致， 导致在塔吊装过程中， 无法准确就位， 最终只能采取切割裙座后再调整角度进行吊装。

4 裙座与下封头焊缝的注意事项

按照NB/T 47041-2014《塔式容器》 标准， 裙座与下封头对接焊缝连接处是塔器必须校核的横截面， 对接焊缝结构如图1所示， 焊缝高度应大于等于1.75倍裙座筒体厚度， 对某高径比H/D>15且高度H>30m的塔器， 裙座与下封头对接焊缝连接处在横风向共振的作用下， 应力分布如图2所示。因裙座筒体与下封头连接处出现几何结构的不连续， 应力集中比较明显， 存在很大的峰值应力，峰值应力的危害性在于导致疲劳裂纹或脆性断裂， 容易产生疲劳破坏， 对于存在疲劳工况的塔器， 该焊缝应采用圆滑过渡的结构形式， 避免应力集中。 不同高度的对接焊缝在设备自 重和横风向与顺风向共振组合弯矩的作用下， 焊缝高度对该设备裙座与下封头对接焊缝疲劳强度有很大的影响， 通过调整对接焊缝的高度， 如图3所示， 计算应力分布如图4所示， 其中峰值应力得到明显的降低。 某项目 塔器裙座与下封头连接处在横风向与顺风向共振组合弯矩的作用下出现了裂纹， 经研究发现， 制造过程中， 对接焊缝高度不够是其破坏的原因之一。 所以对于高径比H/D>15且高度H>30m的塔器， 或者存在疲劳工况的塔器， 裙座与下封头对接焊缝不仅要保证焊缝高度， 而且要采用圆滑过渡的结构形式， 避免应力集中带来的破坏。

5 裙座与下封头疲劳校核的注意事项

对于存在疲劳工况的塔器， 除了 校核静强度以外， 还需要对疲劳工况进行校核， 特别是存在压力和温度同时波动的疲劳工况， 在裙座与下封头连接处， 因结构的不连续， 约束情况比较特殊， 温度场的分布非常复杂， 需要进行热—结构耦合分析， 特别是厚壁的反应器， 需要通过详细的分析设计， 确定应力的大小和分布情况， 判定疲劳工况是否满足要求。 NB/T 47041-2014《塔式容器》 标准规定， 当塔器或塔釜的设计温度大于等于350℃时， 应在裙座筒体上部， 靠近封头处设置隔气圈， 隔气圈与封头和裙座筒体之间形成隔热箱， 隔热箱中的气体对下封头起到一定的保温作用， 以避免过大的温度梯度造成温差应力破坏。

6 裙座设计温度和材料选择的注意事项

裙座的设计温度受塔釜温度和环境温度的影响， 仅取月 平均最低气温的最低值加20℃是不准确的， 带有过渡段的裙座， 过渡段的设计温度应取塔釜的设计温度， 裙座壳体应考虑建塔地区环境温度的影响； 不带过渡段的裙座， 当塔釜设计温度大于200℃时， 裙座壳体的设计温度应取塔釜的设计温度， 当塔釜设计温度小于等于200℃时，应同时考虑塔釜温度和环境温度的影响。 对于低温或设计工况苛刻的塔器， 裙座筒体的纵、 环焊缝应进行局部射线检测。 裙座壳体材料（不包括过渡段） 的选取， 见表1。

7 总结

塔器设备在设计过程中涉及的内容广泛， 除了上述内容以外， 还有很多需要注意的事项， 如防止人孔方位与内件支撑相碰； 防止外加强圈与接管相碰； 人孔和手孔压力等级的选择， 应考虑水压试验压力的影响； 在操作压力为真空的工况下， 应采用不锈钢堆焊层代替不锈钢衬环结构；对于材料为铬钼钢的塔体， 保温支撑圈的设置采用预焊件与保温圈连接， 预焊件材料与塔体材料相同， 对于炼油装置用的铬钼钢反应器， 保温往往采用笼式结构， 多条背带纵向铺设于反应器的外壁， 保温材料固定在背带上， 不在塔体上做支撑， 避免局部应力对壳体带来破坏等等。