设计一个大型的精馏塔，需要注意些什么？
2021年12月28日 14:05
关键词 | 大型塔器 设计 特点
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大型塔器的设计流程
塔设备的主要设计流程与其他化工设备类似，可用如下所示的流程表示。
在塔的设计流程中，材料选择、结构确定、强度计算（包括刚度、稳定性等计算）、施工图设计为主要设计阶段，但设备专业设计者的工作却涵盖了整个建造过程。设备的制造、检验、运输、安装均为设计者设计时所必须考虑的因素，否则纸上谈兵，设计图可能无法转化为实体。
那么，什么样的塔器算是大型塔呢？
目前没有标准进行明确界定，这里根据经验总结如下：
（1）直径大，高度高，如直径6m以上且总高60m以上的塔器；
（2）高径比大，如高径比超过30的塔器。
今天的文章仅对第一种情况的大型塔器进行介绍。
干货
大型塔器
设计流程
01
结构特点
大型塔整体结构与中小型塔一样，一般由地脚螺栓座、裙座、封头、筒体、内件、塔顶吊柱、人孔、接管等组成。但局部结构往往会有所不同，详细如下：
① 裙座和下封头的厚度差一般较大，可采用中径对齐方式以尽可能减少连接处的附加弯矩；大直径会带来封头的拼缝增多，裙座在下封头的焊缝处开U形缺口会对连接处焊缝的强度削弱较大，必要时可采用不开缺口的连续焊。
② 封头的型式（椭圆还是半球形）选择需要综合考虑设计压力、封头材料、成形方式、成形能力、形状要求、裙座高度等多个因素。当裙座高度低，或封头的拼接形状要求高，或封头材料拼缝易产生裂纹时宜选椭圆形封头。当设计压力高，或加工能力有限只能先成形后拼接，或考虑经济性以降低封头壁厚时宜选用半球形封头。
③ 当操作温度较高（如300℃以上）时，大直径的封头径向热膨胀会对裙座未保温部分产生很大的附加热应力，这些热应力与裙座承受设备重力和弯矩产生的应力叠加可能对裙座产生破坏。该处热应力的计算可参考文献的解析法进行或在有条件的情况下采用应力分析方法进行评定。若常规的裙座结构无法满足要求，必要时可以采用短裙座混凝土框架支撑型式，对整个裙座部分保温。这样能有效保证裙座及地脚螺栓座与封头同时膨胀。地脚螺栓孔的开设要考虑裙座的径向膨胀量。
④ 对超出弯头标准的大管径弯头，需要参照HG/T 20582-2011设计为虾米弯头。
02
强度计算特点
大型塔强度计算总体内容与中小型塔是一样的，如塔器各元件内压强度计算、外压稳定性计算以及考虑风载荷和地震载荷的塔器轴向稳定性校核计算、地脚螺栓座校核计算、开孔补强计算等，但细节上会有些不同，例如：
① 大型塔的管口一般也很大，这些管线及物料的重量对塔器产生的偏心弯矩不容忽视。塔体轴向稳定计算时，在管口方位未定的情况下，为保守起见，需将所有大管线及其物料对塔体中心的弯矩累积叠加计入偏心载荷。如果管口方位确定，对称的管线可以只计入单侧的影响。
② 大管线及其保温迎风面积对塔器风载荷的影响也不容忽视。管口方位未确定时，为保守起见，需将塔顶附近所有大管线保温的迎风面积计入塔体总迎风面积中计算风载荷。管口方位确定时，如果任意两管口不是相隔180º布置时，只计入管口大的一侧的迎风面积。
③ 承重大管架支撑在塔体上时，应校核支架预焊件对设备壳体产生的局部应力。
④ 塔器卧式液压试验压力较低时，由于设备直径较大，直径方向的液柱静压力不容忽视，卧式液压试验工况校核时需加上该部分静压头。
⑤ 对大直径虾米弯头，需要按HG/T 20582-2011进行校核计算，超出标准范围时还需按JB 4732进行应力分析。
03
制造及运输特点
大型塔都是尺寸超限设备，无法在制造厂整体制造并运输到用户现场。一般分片或分段运输到现场组焊。详细的技术要求可参见TCED 41002-2012《化工设备图样技术要求》附录C和SH/T 3524-2009《石油化工静设备现场组焊技术规程》。
① 分片运输的设备
所谓分片运输是指设备直径超限，无法分成筒节运输，只能将其分得更细，按排版图将每个筒节分成多个成形瓣片运输。
这类塔器的大部分制造工作在现场进行，现场条件肯定不如设施齐全的制造厂，很多有关制造方面的问题就需要在设计时预先考虑周全，如能否实现射线探伤，能否建造容纳大直径设备的可拆卸热处理炉，能否提供足够的液压试验用水，液压试验用水如何排放，地基能否承受液压试验载荷等。不能实现的项目需提前考虑并设计好替代措施。
② 分段运输的设备
所谓分段运输是指由于运输工具或路线的原因导致运输长度受到限制，必须将塔器分成若干段运输，到现场组焊成整体。
这类塔器大部分制造工作在制造厂进行，现场只是进行环缝组焊、无损探伤、局部热处理以及压力试验。环缝的无损探伤、局部热处理及压力试验将是对现场施工的考验。无损探伤和压力试验的方式在设计过程中就需要根据现场实际的条件确定。无损探伤现场放射污染不好控制时，应选择其他效果相近的探伤方法替代射线探伤。液压试验无法实现时应提出其他的试验要求或以提高环缝的焊接和检测技术要求确保焊缝的质量。
04
设备检验特点
大型塔的A、B类焊缝累计长度量值一般都非常大，而且多数塔都需要对A、B类焊缝进行100%射线检测。这样会造成贴片太长，既耗费大量工期而且成本也较高。一般用衍射时差法超声检测（TOFD）替代，必要时附加100%UT检测防止TOFD检测的盲区出现缺陷。现场组焊的A、B类焊接接头除图中规定的无损检测外，现场液压试验后还应进行20%的MT/PT表面检测。
05
压力试验特点
大型塔设备现场试压方案应在综合考虑设备操作液位、介质特性、现场水源、气源、安全性、基础承载能力等情况后综合确定。如果采用液压试验，用水量巨大，水源不好解决、进水及排水时间都很长、排放地点也不好找，对基础的要求很高。如果采用气压试验，体积太大，危险性非常大，升压时间很长，需要进行特殊防护，还需要报监检部门批准。因此，对于此类塔器压力试验采用气液组合试验比较合适。
因大型塔设备顶部的大管线很重，不宜和设备一起试压。与管道的分界点及设备试压时对管道的要求在图纸上应有明确的规定。若必须一起试压，应考虑各附塔大管线及其实际充水质量，确保管架支撑处设备局部应力及裙座和地脚螺栓都没有问题。
06
吊装特点
大型塔的吊装方案需在设备设计前确定，其吊装重量和高度对吊装设备和场地的要求往往是个挑战。根据吊车能力和场地的大小可采用整体吊装和分段吊装。大型塔的吊耳一般都为非标件，其尺寸和位置设置与安装公司的吊装能力和吊装方式密切相关，因此吊耳的设计需要与安装公司共同完成。
另外大型塔吊装时一般会把部分梯子平台，甚至有时候会把保温都装上再起吊，以减少高空作业的工作量，因此吊耳设计时需将这些重量考虑计入。
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