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第11期
计算
张明
（江苏中圣压力容器装备制造有限公司， 江苏 南京 211112） [摘 要] 本文简要阐述了复合板塔器内部塔盘支撑圈的焊缝结构形式的选择，焊缝强度计算及对复层结合强度的影响等问题，并对这些问题进行了分析、探讨和总结。 [关键词] 复合板塔器；塔盘支撑圈；焊缝结构；复层结合强度
作者简介：张明（1981—），男，江苏徐州人，本科学历，中级
工程师，江苏中圣压力容器装备制造有限公司设计副科长，长期从事压力容器的设计工作。
近年来，我司设计制造的多台复合板塔器，业主要求塔盘支撑圈直接焊接在基层上，导致加工制造难度加大，工期延长，制造成本上升。在焊缝强度计算合格的前提下，选择合理的焊缝结构形式，对提高设备制造效率、节约成本及保证设备安全具有重要意义。
降膜吸收塔1 变换气氨洗涤塔塔盘支撑圈的制造
2015年我司设计制造国内某项目一台变换气氨洗涤塔，塔器主要设计参数见表1，塔器主体材料为SB-575 N10276+Q345R ，6层塔盘，业主要求塔盘支撑圈直接焊接在基层上，不可直接焊接在复层上，经与业主多次沟通，业主给出的解释是，该塔器是多年前国外进口的，目前设备在国内采购，所有技术要求必须维持不变。针对该问题经组织内部技术方案讨论会，最终确定塔盘支撑圈的焊缝结构形式详见节点I ，据车间反馈，剔除复层加工槽的难度很大，必须严格控制加工精度，否则容易伤及基层材料，另外因塔盘支撑圈外径大于筒体内径，所以支撑圈需按两HALF 下料和筒体组装。最终经过车间工人们的努力，设备顺利制造完毕发到现场，得到了业主一致认可和赞同。
2 脱轻上塔塔盘支撑圈焊缝强度计算
晶振封装
2016年我司设计制造国内某项目一台脱轻上塔，塔器主要设计参数见表2，塔器主体材料为S31603+Q345R ，120层塔盘，业主要求塔盘支撑圈直接焊接在基层上，如果制造厂建议塔盘支撑圈直接焊接在复层上（详见节点II ），必须对该焊
缝进行强度计算合格，同时保证复层结合强度不
被破坏，才可以考虑将塔盘支撑圈直接焊接在复层上。
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2018年第21卷
塔盘支撑圈与筒体连接焊缝强度计算过程：载荷条件：塔盘支撑圈重量128k g ，塔盘重量343kg ，塔盘上承载液体重量1400kg ，Q=(128+343+1400)×10=18710N ；焊角高度：h=6mm ；焊缝长度L=2388×2×2=9552mm ；载荷力臂C=65mm ；塔盘支撑圈详图见节点III
。
塔盘支撑圈与筒体连接焊缝主要承受由竖直力所产生的剪应力及由弯矩所产生的拉应力与压应力。
焊缝剪应力：
式中：F 为塔盘支撑圈与筒体连接焊缝的抗剪截面积：
塑料单向阀F=0.707×h ×l=0.707×6×2338×4=39671.2mm 2（式中：h 为焊脚高度，l
为焊缝长度）；
焊缝中最大拉应力 ： ；
式中：w 为塔盘支撑圈与筒体连接焊缝的抗弯截面系数：
式中：h 为焊脚高度，l 为焊缝长度。
焊缝合应力（剪应力加拉应力）：
43.4≤81.9MPa ；
结论：塔盘支撑圈与筒体连接焊缝强度计算合格。
τmax 判定合格标准理论上应该选择（焊缝金属许用剪切应力）和（不锈钢复合板结合剪切强度）两者中较小值，焊缝金属许用剪切应力可按0.7×117=81.9MPa （S31603材料在设计温度150℃下许用应力为117MPa ），S31603+Q345R 复合板结合剪切强度为280MPa ，复合板结合剪切强度远高于焊缝金属许用剪切应力，所以判定合格标准可直接选择焊缝金属许用剪切应力，换言之：塔盘支撑圈与筒体连接焊缝将来即使被拉裂了，复层结合强度也不会被破坏，业主最终同意塔盘支撑圈直接焊接在复层上（详见节点II ），否则加工制造难度难以想象。
3 合成塔塔盘支撑圈焊缝结构形式
2017年我司设计制造国内某项目一台合成塔，塔器主要设计参数见表3，塔器主体材料为SB-551 R60702+TA1+Q345R ，22层塔盘，业主要
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第11期 张明 复合板塔器塔盘支撑圈的焊缝结构形式及强度计算
求塔盘支撑圈直接焊接在基层上，因为两种材料（SB-551 R60702和Q345R ）化学成分和性能差异太大，无法实现焊接，所以从理论上讲，塔盘支撑圈直接焊接在基层上的结构方案无法实现，只能考虑焊接在复层上。根据内件厂商提供的塔盘支撑圈详图，对焊缝进行强度计算，结果焊缝中最大拉应力计算不合格，需通过增加焊缝面积的方法，以达到增加塔盘支撑圈与筒体连接焊缝的抗弯截面系数，来降低焊缝中最大拉应力，计算过程中和内件厂商针对塔盘支撑圈的焊缝结构形式进行了多次沟
通和修改，最终优化确定了焊缝结构形式，以保证焊缝强度核算合格，同时复层结合强度不被破坏，业主也同意塔盘支撑圈直接
焊接在复层上的施工方案。
4 复合板材料复层焊缝金属许用剪切应力
表4提供了几种常用复合板材料复层焊缝金属许用剪切应力，从表4
可以得知：
曲嘉瑞(1)复合板材料采购技术要求尽可能按B1级100%贴合，同时对复层结合剪切强度提出复合板厂家能达到的最高值，以最大限度地保证复层结合强度。
调节臂(2)焊缝金属许用剪切应力远小于复层结合剪切强度，焊缝强度计算时只要满足焊缝金属许用剪切应力即可，换言之：塔盘支撑圈与筒体连接焊缝即便将来被拉裂了，复层结合强度也不会被破坏。
(3)镍基材料和不锈钢材料许用应力一般比较高，特别是镍基材料高达180MPa ，塔盘支撑圈一般为3/4圈左右环板（宽度50~100mm ）与筒体内壁焊接，焊缝面积较多，所以塔盘支撑圈与筒体连接焊缝强度计算一般都会合格（除非塔盘支撑圈承受的载荷特别大），即使强度计算不合格，也只需要增加焊缝面积，如增大焊脚高度、采用开坡口全焊透结构等。
(4)TA2和锆材许用应力一般比较低，特别是锆材低到63.7MPa ，所以塔盘支撑圈与筒体连接焊缝强度计算可能会不合格，需要同内件厂商针对
塔盘支撑圈的焊缝结构形式进行沟通，确定最终的焊缝结构形式，以保证焊缝强度计算合格。5 总结
塔盘支撑圈直接焊接在基层上，多年前国外项目大多有这个要求，可能担心复层结合强度不够，担心复层被破坏。随着我国复合板爆炸技术水平的提高，复层结合强度已能满足塔盘支撑圈焊缝支撑的需求，所以在塔盘支撑圈与筒体连接焊缝强度计算合格的前提下，从设备制造难度、制造工期及经济成本等因素综合考虑，塔盘支撑圈可以考虑直接焊接在复合板筒体的复层上。
收稿日期：2018-08-17；修回日期：2018-09-21
◆参考文献
[1] 丁伯民，黄正林等编. 化工设备设计全书—化工容器[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] NB/T 47002.1~47002.4-2009，压力容器用爆炸焊接复合板[S].
[3] ASTM B898-2011(2016),Standard Specification for Reactive
and Refractory Metal Clad Plate[S].
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