塔式設備典型部件的設計探討

徐文斌，方向紅，武曉偉，馬毓姝

（1.安徽職業技術學院，安徽 合肥230000；2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽471000）

塔式容器作為高聳直立設備，是石油化工、電力和冶金等領域廣泛使用的單元設備，它通過填料或塔板使氣液或液液兩相之間緊密接觸，達到兩相傳熱傳質。作為單元設備，塔設備的性能是否穩定對整個裝置的產能、產品質量、消耗定額和“三廢”處理等方面有重要影響。另外，在設備總投資中塔器約占20%～30%，塔設備部件合理設計與否將直接影響企業的投資成本，同時對設備安全運行至關重要[1]。

塔器的強度設計可以根據常規設計中的解析法進行，本文不再贅述。筆者根據多年的容器設計制造經驗，針對設計制造中容易出現問題的吊柱、塔器基礎模板、塔器地腳螺栓、梯子平臺等典型部件進行總結。

1 典型塔器部件

1.1 吊柱的設計

對于石油煉廠和化工廠中無框架的塔器，常在塔頂位置設置吊柱，用于安裝和檢修時吊裝內件及填料塔內部的填料。通常吊柱的位置應方便于人站在平臺上操作，通過轉動把手使吊鉤轉動到人孔方向，以便從人孔中裝入或取出塔內件及填料。

吊柱的結構如圖1所示，通過上下支座固定吊柱的方位，操作時人站在平臺上抽掉止動插銷，轉動吊桿上的把手來調整吊鉤的位置。吊柱的懸臂置于設備徑向方向。設計時注意要計算懸臂長度和吊柱的起吊載荷，使吊柱能負載起吊物重量的同時，起吊過程吊物不碰撞平臺外圈梁。從圖1可以看出，吊柱的關鍵尺寸主要是吊臂的長度S、吊桿的高度L、把手的高度h。

圖1 吊柱的結構型式

首先，要確定吊柱的定位。塔體頂部一般會有板式吊耳、平臺爬梯、接管開口等，要避免與這些部件的干涉。吊柱方位確定后就可以計算吊臂的長度S。

假定吊柱與人孔的安裝方位之間的夾角為α，由于吊桿是通過上下支座來固定方位，只能在圍繞支座的中軸線轉動。起吊塔內件或填料時，向人孔方向旋轉吊柱的懸臂，使吊鉤下的起吊物移動至預定層平臺的欄桿上方，見圖2所示。極限位置是吊索與平臺外圈梁外邊沿相碰，此時起吊物已經有一半進入了平臺。懸臂的長度也是最小長度Smin。設計時必須要保證吊臂的長度S值大于這個極限值。

一般吊鉤極限位置應保證位于人孔中心線的延長線上。

圖2 吊柱的最小懸臂長度

吊桿的高度L要保證懸臂轉動時與頂平臺的護欄無干涉，而頂平臺的外圈護欄高度標準要求為1 200 mm。

向塔體內部吊裝內件及填料時，操作者一般站在人孔附近的操作平臺上，保證通過人孔進出物件的順利，操作平臺距上把手的高度h取1 200 mm左右。但是實際工作中有可能遇到操作平臺距上支座的距離過大（如大于2 m），人站在操作平臺上已不能順利轉動把手，操作吊柱，這時建議在不大幅改動吊柱結構的情況下，采取將把手向上移動，增長止動插銷的長度，使人站在頂平臺上來操縱把手，具體改動見圖3。但是需要注意把手的最高位置不得位于吊柱的彎頭上。

圖3 吊柱改動示意圖

1.2 基礎模板的設計

塔設備作為高聳直立設備，其高徑比較大，一般情況下要承受地震、風力、設備偏心及內壓等載荷。為保證塔設備的正常操作和安全運行，其設備基礎必須進行合理的設計。塔設備的基礎一般由三部分組成：基礎模板、混凝土地基及地腳螺栓。對于澆注的混凝土地基主要用來穩定設備基礎，加大承載力；地腳螺栓主要是抗塔體傾斜的，其一部分埋入混凝土地基中，對于裙座支撐的塔設備用地腳螺栓固定在地基上[2]；基礎模板的作用是對塔的裙座螺栓進行定位，預埋地腳螺栓后，澆灌基礎，保證塔順利安裝。

采用基礎模板預埋地腳螺栓時，根據近期塔器項目的設計經驗需要注意以下幾點：

（1）基礎模板需要先行加工生產，運到項目現場配合土建先行安裝設備基礎。

（2）基礎模板螺栓孔的加工應與設備基礎環板一起配鉆。

（3）基礎模板運輸、吊裝過程中要盡量減小變形。

（4）基礎模板加工完成后要標記角度，標記的角度與設備塔器的方位角度0°、90°、180°、270°保持一致，保證螺栓跨中均布。

基礎模板由上模板、下模板、支撐筋板及定距管組成，見圖4。兩個地腳螺栓間有1塊支撐筋板。根據需要，基礎模板的每個地腳螺栓外可以套一根定距管，它和支撐筋板一起，對模板起加強作用[3]。施工現場實物圖見圖5。

圖4 基礎模板結構示意圖

圖5 基礎模板加上地腳螺栓后的圖片

基礎模板的高度H取裙座基礎環板下表面到墊板上表面的距離，其它尺寸可以參照表1。

基礎模板一般要先于塔器本體運到項目現場，為防止運輸時變形，可根據需要設置加強角鋼。根據工程經驗及運輸超限尺寸，若模板地腳螺栓中心圓直徑小于或等于3 000 mm，可將模板做成整體；若大于3 000 mm，則應將模板分成多塊制造，到現場后，再焊接拼裝成整體。

表1 基礎模板結構尺寸

1.3 地腳螺栓

地腳螺栓作為固定塔器、抗塔體傾斜、保證塔器垂直度的部件[4]，設計制造時應注意以下幾個方面：

（1）在施工過程中應保證地腳螺栓垂直度和長度。如果短了，則很難解決。

（2）為了便于布置地腳螺栓，一般規定地腳螺栓數目為4的倍數。

（3）為了便于地腳螺栓的安裝，且考慮混凝土基礎的強度，地腳螺栓間距一般為300～500 mm。

（4）地腳螺栓由于裸露在基礎外面，其設計溫度應取該使用地區歷年來月平均最低溫度加20℃。

（5）加工地腳螺栓時，應留足夠的螺紋部分，保證外露長度的同時，且螺紋部分能深入模板內部。

（6）螺紋部分與光桿部分應同直徑，使地腳螺栓順利通過模板孔，避免出現M36的螺栓用φ42的棒材加工，地腳螺栓施工現場穿不進去的現象。

圖6 地腳螺栓長度計算

地腳螺栓主要承受拉應力，其直徑可通過載荷計算得出，而地腳螺栓的長度和埋入基礎的方式有關。塔器設備通常采用地腳螺栓直接埋入基礎內的方法。螺栓長度等于地腳螺栓外露長度L1加埋入深度L2之和。地腳螺栓長度計算見圖6。

其中：L1-地腳螺栓露出基礎的長度；l1-設備底座高度；l2-螺母厚度（振動設備、塔類設備使用雙螺母）；l3-高出螺母面的長度，一般為2～3t（t為螺距）。

其中：L2-地腳螺栓埋入基礎的長度；l4-埋入混凝土基礎中的長度（可參照表2選用）；l5-基礎灌漿層厚度（一般取50 mm）。

表2 埋入深度l4

1.4 梯子平臺

為了便于檢修、維護、操作，塔設備一般都設置有梯子平臺，平臺一般都設置在人孔、塔頂吊柱、傳感裝置等需要經常檢修和操作的地方。梯子平臺的設計可以參照化工部或各大設計院出版的梯子平臺圖集。對于設計制造中應著重注意以下幾點：

（1）梯子和平臺的預焊件最好焊在墊板上，以便于后期的返修和組裝。

（2）梯子平臺和塔體一般是分開運輸，到項目現場后再組裝，建議梯子和平臺出廠前最好和塔體進行預組裝。

（3）待預焊件和支撐槽鋼找正之后，再用螺栓緊固，緊固完成后建議焊死。

（4）對于要穿過平臺的部件，要注意在平臺上的開孔，避免液位計、吊柱等部件與平臺進行干涉。

2 結論

本文對塔器部件設計制造中容易出現的問題進行了總結和思考，并制定相應的解決措施，對于同類產品的設計制造具有借鑒、參考意義。