化工设备机械基础课程设计

成 绩

华北科技学院环境工程系

《化工设备机械基础》课程设计报告

设计题目 塔设备机械设计 学生姓名 学 号 指导老师 专业班级 教师评语

设计起止日期： 至

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塔设备设计任务书

一、 设计内容 1、 2、 3、 4、 5、

根据操作条件选择塔体、裙座材料； 法兰选型； 塔设备机械设计； 塔设备结构设计；

编写设计计算说明书，主要内容：

① 目录；

② 设计任务书（题目）；

③ 设计方案的确定，包括材料选择、塔设备结构设计等； ④ 塔设备机械设计过程； ⑤ 标准零部件的选择，如法兰等； ⑥ 设计小结； ⑦ 参考资料； ⑧ 附图： 总装图 法兰结构图 塔盘板结构示意图； 塔板连结结构示意图； 塔盘支撑结构示意图； 裙座与塔体焊缝结构图；

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设计参考数据

塔体内径/mm 计算压力/MPa 设置地区 场地土类 2000 1.2 广州 Ⅱ类 塔高/mm 设计温度/℃ 地震设防烈度/度 设计地震分组 地面粗糙度 31000 200 8 第二组 B类 100 100 5 800 315 3800 无明显腐蚀 设计基本地震加速度 0.2g 塔盘数 塔盘间距/mm 介质密度/kg/m3 半圆形平台数 平台高度 保温层厚度/mm 再沸器偏心距/mm

52 塔盘存留介质层高度/mm 450 825 塔釜存留介质高度/mm 人孔间距/m 平台宽度 1000 保温层材料密度/ kg/m3 105 2000 再沸器操作质量/kg 介质腐蚀性

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目录

一、塔体的设计条件 …………………………………………5 二、按计算压力计算塔体和封头厚度 ………………………6 三、塔设备质量载荷计算………………………………………………6 四、风载荷与风弯矩计算 ……………………………………10 五、地震载荷计算 ……………………………………………13 六、偏心弯矩计算 ……………………………………………15 七、各种载荷引起的轴向应力 ………………………………15 八、筒体和裙座危险截面的强度性校核 ……………………17 九、塔体水压试验和吊装时的应力校核 ……………………20 十、基础环设计 ………………………………………………21 十一、地脚螺栓计算 …………………………………………23 十二、筒体与封头联接法兰的选取 …………………………24 参考文献………………………………………………………27

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一、塔体的设计条件

1、塔体的内径Di2000mm，塔高近似取 H=31000mm；

2、计算压力pc1.2Mpa，设计温度200℃； 3、设置地区：基本风压值q0500N/m2，地震设防烈度8度，场地土类：Ⅱ类，设计地震分组：第二组，设计基本地震加速度: 0.2g；

4、塔内装有52层浮阀塔盘，每块塔盘上存有介质高度为hw100mm，介质密度为

825kg/m3；

5、沿塔高每5m左右开设一个人孔，人孔数为6个，相应在人孔处安装的半圆形平台为6个，平台宽度B=800mm，高度为1000mm：6、塔外保温层厚度s105mm，保温材料密度 为32315kg/m

7、塔体与裙座间悬挂一再沸器，其操作质量为me3800kg，偏心距e=2000mm； 8、塔体在200℃的条件下工作，介质无明显腐蚀，筒体与封头材料选16MnR，裙座材料

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选用Q235-B，材料的有关性能参数如下：

16MnR []t170MPa, []170MPa, s345MPa E1.9105MPa

Q235-B []t113MPa,[]113MPa,s235MPa； 9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数0.85； 10、塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm。 二、按计算压力计算塔体和封头厚度 1、塔体厚度计算 pcDi1.220008.34mm

2[]tpc21700.851.2考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取n12mm。 2、封头厚度计算

pcDi1.220008.32mm t2[]0.5pc21700.850.51.2考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取n12mm。 三、塔设备质量载荷计算 1、筒体圆筒、封头、裙座质量m01

圆筒质量： m159627.2116217.16kg 封头质量： m24382876kg 裙座质量： m35963.061823.76kg

m01m1m2m316217.168761823.76116.92kg

说明：（1）塔体总高度H0H0.653.0620.0427.21m； （2）查的DN2000mm，厚度12mm的圆筒质量为596kg/m；

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（3） 查的DN2000mm，厚度12mm的椭圆形封头质量为438kg/

个（封头曲面深度500mm，直边高度40mm）；

（4）裙座高度3060mm，厚度按12mm计。 2、塔内构件质量m02

m024Di275520.7854755212246kg

（浮阀塔盘质量75kg/m2）

3、保温层质量m03

'm03[(Di2n2s)2(Di2n)2]H022m0340.785[(220.01220.105)2(220.012)2]27.21315 2(1.7681.23)3156355.3kg'

其中，m03为封头保温层的质量，169.47kg/个，密度为315kg/m3

其保温层外容积为

VS4(Di2n2s)h0r2dz

20z椭圆封头的曲面方程为

x2y2z2z2222221 rxy(12)a 2abb所以

VS040.785(220.01220.105)20.04(Di2n2s)h0r2dz2z0.6170 z22(1)(10.0120.105)dz2(0.50.0120.105)1.768m2其壳体外容积为

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z2V(Di2n)h0r2dz04'S0.785(220.012)20.041.23m24、平台、扶梯质量m04

m040.5120z22(1)(10.012)dz2 (0.50.012)1[(Di2n2s2B)2(Di2n2s)2]nqPqFHF42

0.785[(220.01220.10520.8)2(220.01220.105)2]0.5615040303429.63412004629.634kg说明：由表8-1查得平台单位面积质量qP150kg/m2，笼式扶梯单位长度质量qF40kg/m；笼式扶梯总高HF30m，平台数量为6。

5、操作时物料质量m05

m05440.78540.1528250.78541.468251.18825 18226.23kg说明：物料密度825kg/m3，封头内容积Vf1.18m3，塔釜圆筒部分深度h020.50.041.46m，塔板数N=52，塔板上液层高度

hw0.1m。

DhN2iwDi2h0Vf6、 附件质量ma

按经验取附件质量为

ma0.25m010.25116.924729.2kg

7、 充水质量为

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mw2DiwH02Vfw0.785427.21100021.18100087799.4kg4 其中w1000kg/m3 8、 各种质量载荷汇总

将全塔分为6段，计算各质量载荷（计算中略有近似）

塔段 塔段长度/mm 人孔与平台数 塔板数 m01/kg 0～1 1000 0 0 596 1～2 2000 0 0 1630 2～3 7000 2 9 4172 3～4 7000 1 15 4172 4～5 7000 1 16 4172 5～顶 7000 2 12 合计 31000 6 52 4174.96 116.9 注：2m裙座+下封头质量=2×596+438=1630，其余为596×各塔段长度 m02/kg - - 2119.5 3532.5 3768 2826 212246 注：塔盘质量=0.785×4×75×各段塔盘数，塔盘单位面积质量为75kg/m m03/kg - 169.47 17.8 17.8 17.8 12.43 6355.3 注：保温材料，下封头质量169.47，其余为单位长度保温层质量×各塔段长度 m04/kg 40 80 1423.2 851.6 851.6 1382.2 4629.6 注：平台扶梯质量，每个平台质量为571.6kg，每米扶梯为40kg，平台质量算法同前 m05/kg - 973.5 6113.58 3885.75 3885.75 3367.65 18226.2 注：封头内的物料质量=825×1.18=973.5，其余各段为各段塔板总的存留介质质量 2～3段为塔釜直筒段存留介质质量+9块塔板上存留的介质质量 ma/kg 149 407.5 1043 1043 1043 1043.7 4729.3 注：附件质量=0.25×m1 mw/kg — 1180 21980 21980 21980 20694 87799.4 充水质量=塔容积×水密度，1～2段为封头充水质量=1.18×1000=1180 me/kg m0/kg 各塔段最小质量 — 785 785 1300 2500 3800 4560.5 119.1 15032.7 15268.2 14336.9 602.3 3587 11109.9 8320.9 8370 8708.49 40881.3 全塔操作质量=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=602.29kg 全塔最小质量=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=40881.3kg 水压试验时最大质量=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me=138476.4kg

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全塔操作质量

m0m01m02m03m04m05mame116.92122466355.34629.618226.234729.33800 602.29kg全塔最小质量

mminm010.2m02m03m04mame116.920.2122466355.34629.64729.23800 40881.3kg水压试验时最大质量

mmaxm01m02m03m04mamwme 116.92122466355.34629.64729.387799.43800

138476.4kg四、风载荷与风弯矩计算 1、风载荷计算示例

以2~3段为例计算风载荷P3

P3K1K23q0f3l3De3106(N)

式中：

K1——体形系数，对圆筒形容器，K10.7 q0——10m高处基本风压值，q0500N/m2 f3——风压高度变化系数，查表8-5得： f31.00

l3——计算段长度，l37000mm

v3——脉动影响系数，由表8-7得：v30.72 T1——塔的基本自振周期，对等直径、等厚

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度得圆截面塔：

T190.33Hm0HES3103 eDi 90.3331000602.29310001.910510200031031.05s ——脉动增大系数，根据自振周期T1，由

表8-6查的：2.33

z3——振型系数，由表8-8得：z30.158

K23——风振系数

K231v3z3f12.330.720.1581.001.265

3De3——塔的有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线

成90°，取下a、b中较大者。

a.De3D0i2s3K3K4 b.De3D0i2s3K4d02ps

K3400mm，d0400mm，s3ps105mm

2KA280010004l237000457.2mm

a.De320242105400457.23091.2mm b.De320242105457.240021053301.02mm

取De33301.02mm

P3K1K23q0f3l3D6e3100.71.2655001.0070003301.02106 10231.2(N)

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p6p5p4p3p2p1化工设备机械基础课程设计

2、各段塔风载荷计算结果 塔段号 li/mm q0/(N/m2) 1 1000 2 2000 3 7000 4 7000 500 0.7 5 7000 6 7000 K1 iB类 zi 0.72 0.02 0.72 0.02 0.72 0.158 0.769 0.398 0.806 0.738 0.832 1.000  2.33 1.034 1.034 1 1.00 0 0 2634 3 1.00 0 0 1.265 10 1.00 2 457.2 1.60 17 1.184 1 228.6 2.05 24 1.318 1 228.6 2.35 31 1.434 2 457.2 K2i hit/m fiB类 平台数 K4/mm Di/mm Pi/N 2634 3301.02 3072.42 3072.42 3301.02 953.24 953.24 10231.2 14260 20337.2 272.1

3、风弯矩计算 0-0截面：

00MwP1ll1lP2l12P6 l1l2l3l4l56 222953.24500953.24100050010231.2(10002000

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3500)14260100020007000350020337.21000

2000270003500)272.1(10002000370003500)1.43109Nmm

1-1截面：

11MwP2lll2P3l23P6l2l3l4l56 222953.24100010231.2(20003500)1426020007000350020337.22000270003500)272.1(2000370003500)1.35109Nmm

2-2截面：

22MwP3l3llP4l34P6l3l4l56 22210231.2350014260(70003500)20337.2(270003500)

272.1(370003500) 1.21109Nmm

五、地震载荷计算

取第一振型阻尼比为10.02 则衰减指数0.9T11.05s

0.050.020.95

0.550.02塔的总高度 H=31000mm 全塔操作质量 m0602.29kg 重力加速度 g9.81m/s2 地震影响系数1(g)2maxl

T1T由表8-2查的max0.16（设防烈度8级）

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由表8-3查的Tg0.40

21Tg0.0510.050.0211.319

0.061.710.061.70.021(0.40.95)2max()1.3190.160.0844 T11.05计算截面距地面高度h： 0-0截面：h=0 1-1截面：h=1000mm 2-2截面：h=3000mm

等直径、等厚度的塔，H/Di31000/200015.515，按下列方法计算地震弯矩。 0-0截面：

'00 ME16161m0gH0.0844602.299.8131000 3535

8.08108Nmm

00'001.25ME10.10108Nmm ME1-1截面：

'11ME81m0g(10H3.514H2.5h4h3.5) 2.5175H17531000

9.81 80.0844602.229(10310003.514310002.51000 .5410003.5)7.87108Nmm

11'11ME1.25ME9.84108Nmm

2-2截面：

'22ME81m0g(10H3.514H2.5h4h3.5) 2.5175H14

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9.81 80.0844602.229(10310003.514310002.53000 .517531000 430003.5) 6.99108Nmm

22'22ME1.25ME8.74108Nmm

六、偏心弯矩计算

Memege38009.8120000.7456108Nmm

七、各种载荷引起的轴向应力 1、计算压力引起的轴向压应力1

1PcDi20001.260MPa 4S410

其中snC12210mm 2、操作质量引起的轴向压应力2

0-0截面：

0020000m0gm0g6802.299.8110.76MPa AsbDises3.14200010裙座的有效厚度esnC12210mm 1-1截面：

11211m0g68117.299.8111.40MPa Asm58630

11602.2978568117.29kg，Asm为人孔截面的截面积，其中，m0查相关标准得：Asm58630mm2 2-2截面：

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22211m0g63556.829.819.93MPa Die3.14200010

其中，m022602.297854560.4763556.82kg 3、最大弯矩引起的轴向应力3 0-0截面

0030000MmaxMmax15.023610847.85MPa

2Zsb0.7852000210DisSes4ii其中，最大弯矩Mmax取下式计算值中较大者：

0000MmaxMwMe(14.2780.7456)10815.0236108Nmm000000MmaxME0.25MwMe(10.100.2514.2780.7456) 881014.4210Nmm1-1截面：

11311Mmax14.2456108 51.47MPa

Zsm27677000

式中Zsm——裙座人孔截面的抗弯截面系数。查相关标准得：

Zsm=27677000mm3

ii其中，最大弯矩Mmax取下式计算值中较大者：

1111MmaxMwMe(13.50.7456)10814.2456108Nmm1111118MmaxME0.25MwMe(9.840.2513.50.7456)10 813.9610Nmm2-2截面：

2232222MmaxMmax12.845610840.91MPa 2Z0.785200010Di2e4

ii其中，最大弯矩Mmax取下式计算值中较大者：

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2222MmaxMwMe(12.10.7456)10812.8456108Nmm2222228MmaxME0.25MwMe(8.740.2512.10.7456)10 812.5110Nmm

八、筒体和裙座危险截面的强度性校核 1、筒体的强度与稳定性校核 2-2截面：

22筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉力max组拉： 222233max3609.9340.9190.98MPa 组拉12

t22max90.98MpaK173.4Mpa 组拉t22因为maxK，故满足强度条件。 组拉其中，轴向许用应力：Kt1.21700.85173.4MPa 2、 塔体与裙座的稳定性校核

2-2截面：

22筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压力max组压： 222222max9.9340.9150.84MPa 23组压

许用轴向压应力：CrKB 取其中较小值。 tK按GB-150 钢制压力容器中的规定，由

A0.0940.0940.00093 Rm/e1006/10查相应的材料图(16MnR)得B=115Mpa, t170Mpa

KB1.2115138MPa则，取Cr138MPa,K1.2。 tK1.2170204MPa

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22cr138Mpa，故满足稳定性条件。 因为max组压50.84Mpa1-1截面：

塔体1-1处的最大组合轴向压应力

111111max311.4051.4762.87MPa 组压2

由 A0.0940.00093 Ris/es查相应的材料图（Q235-B）得B107.5MPa ,t113Mpa 则crKB129MPaK135.6MPat，取cr129MPa。

11cr129Mpa，故满足稳定性条件。 因为，max组压62.87Mpa0-0截面

塔体0-0处的最大组合轴向压应力

000000max10.7647.8558.61MPa 23组压00cr129Mpa,故满足稳定性条件。 因为，max组压58.61Mpa

各危险截面强度与稳定校核汇总

计算危险截面

项目

0-0

塔体与裙座有效厚mm 截面以上操作质量m/kg

.9

计算截面面积Aii/mm2

ii01-1 10 68117.

2-2 10

10 602

63556.82

29

Asm58630A62800

Asb6280018

化工设备机械基础课程设计

截面的抗弯截面系数

Zii/mm3

最大弯矩Miimax/Nmm 最大允许轴向拉应力

Kt/Mpa

KB

最大允许压应

Kt力

计算压力引起的向拉应力

1/Mpa 操作质量引起的向压应力

ii2/Mpa

最大弯矩引起的轴向应力

ii3/Mpa

最大组合轴向拉应力

iimax/Mpa

最大组合轴向压应力

iimax/Mpa

强度与稳定校

强度

Zsb314105

15.0236108

129 135.6

0 10.76

47.85

- 58.61

—

Zsm276.77105Z314105

14.245610812.8456108 173.4 129 138 135.6

204

0 60

11.40 9.93

51.47 40.91

- 90.98

62.87 50.84 —

满足强度

19

化工设备机械基础课程设计

核

稳定

条件

满足稳定性条件

性

九、塔体水压试验和吊装时的应力校核 1、筒体水压试验时各种载荷引起的应力

(1)由试验压力和液柱静压力引起的环向应力

(Pt液柱静压力）(Diei)1.50.31200010

2ei210 181.90MPa

pT1.25Pt1.251.21701.5MPa 170

(2)由试验压力引起的轴向拉应力1

1PTDi1.5200075MPa 4ei410

(3)最大质量引起的轴向压应力2

22222mmaxg138476.49.8121.63MPa Die3.14200010

(4)由弯矩引起的轴向应力3

223220.3MWMe2DiSei40.312.11080.745610813.94MPa

0.78520002102、水压试验应力校核

(1)筒体环向应力校核

0.9s0.93450.85263.9MPa

20

化工设备机械基础课程设计

因为T181.9Mpa0.9s263.9Mpa，故满足要求。 (2)最大组合轴向拉应力校核

222222max7521.6313.9467.21MPa 123组拉

许用应力：0.9S0.93450.85263.9MPa

22因为max组拉67.21Mpa0.9s263.9Mpa，故满足要求。

(3)最大组合轴向压应力校核

222-222max321.6313.9435.57MPa 组压2

轴向许用压应力 cr0.9s 取其中较小值。 KB0.9s0.9345310.5MPa, 取cr138MPa。 KB1.2115138MPa2-2cr138Mpa，故满足要求。 因为max组压35.57Mpa

十、基础环设计 1、基础环尺寸

取 DobDis30020003002300mm DibDis30020003001700mm

b=140DIS=2000l=160Dob=2300Dib=1700

2、基础环的应力校核 21

化工设备机械基础课程设计

取其中较大值，bmax00Mmaxm0gAbZb 000.3MwMemmaxgZbAb

Zb44DobDib32Dob3.1423004170048.3756109mm3

322300

AbD42ob2Dib0.78523002170021884000mm2

00Mmaxmog15.0236108602.299.81(1)bmax2.153Mpa 8ZbAb18840008.375610000.3MWMemmaxg0.314.2781080.7456108(2)bmax 9ZbAb4.5610 138476.49.811.32Mpa

1884000

取bmax2.153MPa

选用75号混凝土，其许用应力Ra3.5MPa，故满足要求。 3、基础环厚度

按有筋板时，计算基础环的厚度Sb。

bDobDis2es2300200020140mm 设地脚螺栓直径为M42，由表8-11查得l=160mm， 则b/l=140/160=0.88，由表8-10查得

Mx0.1482bmaxb20.14822.15314026253.9Nmm1212

My0.0848bmaxl20.08482.15316024673.9Nmm。

取MsMx6253.9Nmm，基础环材料（20R）的许用应力

b133MPa，C=3mm,基础环厚度

b

6MsbC66253.9319.80mm，取b20mm。 13322

化工设备机械基础课程设计

十一、地脚螺栓计算

1、地脚螺栓承受的最大拉应力

00MwMemmingZAbb取其中较大值，B 0000ME0.25MwMem0gZbAb其中，mmin40881.3kg

0010.10108Nmm ME0014.278108Nmm Mw m0602.29kg Zb8.3756108mm3 Ab1884000mm2

00MWMemming(1) B ZbAb14.2481080.745610840881.39.811.58Mpa 818840008.3756100000ME0.25MWMem0g (2)B ZbAb10.11080.2514.2781080.7456108602.299.81

18840008.37561081.36MPa

取其中较大值，B1.58Mpa 2、地脚螺栓的螺纹小径

因为B0，故此塔设备必须安装地脚螺栓。选取螺栓材料16MnR，螺栓个数为n=20，bt163Mpa，C=3mm。

23

化工设备机械基础课程设计

d14BAbCnbt41.581884000 337.11mm

3.1416320

取地脚螺栓为M42。由表8-12查得M42的螺纹小径d=37.219mm，故选用20个M42的地脚螺栓，满足要求。 十二、筒体与封头联接法兰的选取

1、根据筒体内径Di2000mm，计算压力Pc1.2Mpa，温度200℃，查表6-2，确定法兰结构为长颈对焊法兰，查附录12选取材料16Mn，公称压力PN=1.6Mpa。 2、查相关手册得法兰基本数据：

D=2215mm，D1=2155mm，D2=2110mm，D3=2090mm，D4=2087mm 螺纹孔直径d=33mm，法兰厚度b=102mm，高颈尺寸H=190mm，h=56mm，

020mm,122mm,236mm，螺栓为M30。

3、根据公称直径DN=2000mm，查附录13-3，得螺柱材料为40MnVB，查表6-6得，螺母材料为40Mn。

4、压紧密封面选取平面密封面，选用缠绕型垫片，D=20mm，

d=2039mm，

垫片种类为石棉式石墨填充带。

法兰图见附图

塔的机械设计结果

24

化工设备机械基础课程设计

筒体n12mm，封头h12mm，裙座塔的名义壁厚 es12mm m0602.29kg,mmax138476.4kg, 质量载荷 塔的载荷及其弯矩mmin40881.3kg 0011Mw1.43109Nmm,Mw1.35109Nmm 风弯矩 22Mw1.21109Nmm 0011ME10.1108Nmm,ME9.84108Nmm 地震弯矩 22ME8.74108Nmm 基础环设计Asm Zsm Dis

es

Dim

基础环尺Dob2300mm,Dib17000mm,b20mm 寸 基础环的满足要求 应力校核 地脚螺栓直径M42，个数20个 设计

主要符号说明

裙座人孔处截面的面积，mm2 裙座人孔处截面的抗弯截面系数，mm3 裙座壳底部内直径，mm 裙座壳有效壁厚，mm

裙座人孔截面处裙座壳的内直径，mm

25

化工设备机械基础课程设计

bm lm

裙座人孔截面处水平方向的最大宽度，mm 人孔或较大管线引出孔加强管的长度，mm 人孔或较大管线引出孔加强管的厚度，mm 塔计算段的有效直径，mm 基础环内直径，mm 基础环外直径，mm 裙座大端外直径，mm

设计温度下材料的弹性模量，MPa 风压高度变化系数 塔的总高度，mm

塔第i段顶截面距地面的高度，m

m

Dei Dib Dob Dos

E

fi

H

Hit

iiME 塔第i-i截面处的地震弯矩，Nmm iiME 塔第i-i截面处的最大弯矩，Nmm iiME 塔第i-i截面处的风弯矩，Nmm

mmax 塔的最大质量，kg

mmin 塔的最小质量，kg m0

iim0

塔的操作质量，kg

计算截面以上的操作质量，kg 计算压力，MPa

塔i-i计算段的水平风力，MPa 基本风压值，N/m2

pc Pi q0

26

化工设备机械基础课程设计

T1

塔的基本自振周期，s 对应T1的地震影响系数 地震影响系数的最大值 管线保温层厚度，mm 脉动增大系数 脉动影响系数

由计算压力引起的轴向应力，MPa 由重力引起的轴向应力，MPa 设计温度下筒体材料的许用应力，MPa

1 max ps

 i

1

2

t

er 设计温度下材料的许用轴向压应力，MPa ts

zi

设计温度下裙座材料的许用应力，MPa 振型系数

参考文献

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工大学出版社，2005.

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27