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、拱頂結構即可，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構，以保證設備安全、正常運行。

國內設計塔（罐）頂承重結構，通常采用自支撐結構和立柱支撐結構。自支撐結構就是利用封頭自身來承受載荷，而立柱支撐結構則是利用設置立柱來承受載荷，通常是將立柱設置在塔（罐）內部，國內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構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。為控制塔頂內部氣相空間及控制設備總高，塔頂采用錐形封頭結構，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

根據設備的工作情況，塔頂?shù)妮d荷有：

（1）內壓載荷。設備設計內壓是常壓，所以塔頂承受的內壓載荷為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 塔頂承重結構方案設計

常壓塔器的塔頂結構，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。根據使用工況要求，本設備塔頂結構參照GB 50341—2014 標準設計[7-8]。

塔頂承重結構設計，包括塔頂錐形封頭和承重支撐結構的設計。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 自支撐塔頂承重結構

本承重結構中，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

塔頂內徑D= 10.1 m

塔頂錐角θ= 15°

所以，塔頂設計總外壓力：

根據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構

由于塔高達42 m 以上，在塔內部設置從地面到錐頂?shù)闹沃沃氶L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部滿足不了使用要求。

根據使用工況和現(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構方案，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 錐頂支撐結構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構承擔、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，使支撐柱產生彎曲變形。

由于中心法蘭是長矩形結構，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 計算結果Table 2 Calculation results

從計算結果可知，在所有載荷僅由型鋼、支撐柱組成的籠形鋼結構承擔的情況下，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生的變形協(xié)調效應，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構承擔、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，證明此塔頂承重結構的設計是可行的、可靠的。

從該塔頂承重結構的設計及應用結果中，可以得到以下結論：

（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構承擔所有載荷的設計方案；

（2）對于大型、超大型塔頂承重結構，支撐柱可以不布置在塔內部，而是設置在塔筒體上段外部。這種結構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，采用由鋼結構來承擔載荷，可以不增加塔頂板厚度，節(jié)約制造成本。