王智磊，祝 建，何江飛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

復(fù)雜工況下發(fā)電廠鋼煤斗不銹鋼內(nèi)襯的設(shè)計(jì)分析

王智磊，祝 建，何江飛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

燃煤發(fā)電廠中作為儲煤結(jié)構(gòu)的鋼煤斗，在運(yùn)行溫度高、堆煤高度高的工況下，沿用常規(guī)采用的煤斗內(nèi)襯設(shè)計(jì)方式可能存在安全隱患，在溫度作用下煤斗內(nèi)襯產(chǎn)生起拱現(xiàn)象。結(jié)合規(guī)范公式和數(shù)值模型分析了內(nèi)襯起拱時，塞焊點(diǎn)承受的貯料切向力、起拱積煤重力和溫度的共同作用，并結(jié)合某工程案例進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，提出了增大塞焊縫尺寸、在各層不銹鋼板搭接處施加角焊縫，以防止因施工缺陷導(dǎo)致溫度荷載增加的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。采用此方案處理后，機(jī)組經(jīng)過6個月同等工況運(yùn)行后，內(nèi)襯完好，未再脫落，表明該設(shè)計(jì)方案合理有效。

鋼煤斗；內(nèi)襯；不銹鋼板；塞焊；溫度荷載

0 引言

煤斗結(jié)構(gòu)是燃煤發(fā)電廠作為貯煤和卸煤的構(gòu)筑物形式之一。雖然在設(shè)計(jì)上缺乏相關(guān)規(guī)范、規(guī)程或設(shè)計(jì)手冊，但設(shè)計(jì)人員對于這類特種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及計(jì)算要點(diǎn)已日益成熟[1-5]，形成了通用性較強(qiáng)的發(fā)電廠鋼煤斗典型設(shè)計(jì)可供參考。鋼煤斗的設(shè)計(jì)可分為支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、母材設(shè)計(jì)、內(nèi)襯設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)4個部分。內(nèi)襯設(shè)計(jì)的基本思路是，在鋼煤斗錐體（母材）內(nèi)壁上焊接不銹鋼板耐磨層作為內(nèi)襯，如圖1所示。不銹鋼板作為內(nèi)襯所起的作用為：

（1）防止煤塊和煤粉在墜落或流動過程中磨損母材。

（2）防止煤塊和煤粉中腐蝕性成分與母材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在典型設(shè)計(jì)中，內(nèi)襯通常采用符合 GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》要求的3 mm厚O6Cr19Ni10不銹鋼板（即304L不銹鋼板）。母材則采用14 mm厚Q235B鋼板。材料物理特性參數(shù)列于表1。針對該類板材的焊接施工技術(shù)也已比較成熟[6，7]。

在運(yùn)行溫度低或堆煤高度低的工況下（即煤斗主要作為卸煤通道），采用該類典型設(shè)計(jì)通常能夠滿足運(yùn)行需要，符合安全生產(chǎn)要求。但在運(yùn)行溫度高且堆煤高度高的工況下（即煤斗兼用作主要貯煤結(jié)構(gòu)），采用該類設(shè)計(jì)可能存在不周全之處。

圖1 煤斗內(nèi)襯安裝典型設(shè)計(jì)

表1 鋼煤斗內(nèi)襯與母材物理特性參數(shù)

1 溫度作用下內(nèi)襯變形分析

生產(chǎn)期溫度高于施工期溫度時，由于內(nèi)襯與母材的線膨脹系數(shù)存在差異（如表1所示），會導(dǎo)致內(nèi)襯與母材變形不協(xié)調(diào)，從而引起內(nèi)襯變形。如在常規(guī)設(shè)計(jì)的300 mm×300 mm平面區(qū)格內(nèi)，根據(jù)母材與內(nèi)襯的線膨脹系數(shù)差異，隨著施工期與生產(chǎn)期溫差的增大，區(qū)格邊緣的延伸長度與邊緣中心起拱高度的變化如圖2所示。

圖2 施工與生產(chǎn)環(huán)境溫差變化引起的內(nèi)襯板起拱變化

由圖2可知，區(qū)格邊緣的延伸長度呈線性變化趨勢，而邊緣中心的起拱高度呈非線性變化趨勢。在溫差較小的情況下就能引起區(qū)格產(chǎn)生形變。對于橫截面為較小圓形的錐斗而言，由于內(nèi)襯初始形狀存在一定曲率，且形變將沿母材方向釋放，因此溫差引起的形變并不顯著。而對于橫截面為矩形及半徑較大的錐斗而言，由于內(nèi)襯初始狀態(tài)接近平直，溫差引起的形變則較為顯著。如當(dāng)溫差達(dá)到70℃時，邊緣中心起拱高度為3.25 mm，在三維空間中模擬的區(qū)格起拱形狀如圖3所示，區(qū)格中心最大起拱高度約6.5 mm。

圖3 溫差70℃時的內(nèi)襯區(qū)格起拱形狀

2 內(nèi)襯起拱受力分析

煤斗內(nèi)襯起拱后，將直接承受原設(shè)計(jì)中由母材承受的荷載，因此可能發(fā)生破壞。導(dǎo)致破壞的荷載主要由3個部分組成：貯料切向力、起拱積煤重力、溫度作用。當(dāng)相鄰區(qū)格存在施工缺陷時，塞焊點(diǎn)位置在溫度作用下將處于應(yīng)力不平衡狀態(tài)。且當(dāng)煤粉堆積高度大時，區(qū)格也承受較大的靜荷載。以上兩者共同作用，會使內(nèi)襯與母材之間的塞焊縫承受較大荷載，產(chǎn)生破壞，并使內(nèi)襯脫落甚至撕裂。

2.1 貯料切向力

根據(jù)GB 50077-2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.2節(jié)淺倉貯料壓力的計(jì)算方法[8]，內(nèi)襯面上的切向壓力荷載按式（1）—（2）進(jìn)行計(jì)算。式中：hn為豎直筒倉內(nèi)貯料堆積重心至漏斗頂面的高度；hh為漏斗頂面到漏斗內(nèi)計(jì)算位置的高度；γ為貯料的重力密度；pv為貯料在計(jì)算位置的豎向壓應(yīng)力；k為側(cè)壓力系數(shù)，k=tan2（45-Φ/ 2）；Φ為貯料的內(nèi)摩擦角；α為漏斗倉壁傾角。

內(nèi)襯塞焊點(diǎn)所承受的面積為A的區(qū)格上的剪力T：

由圖1可知，內(nèi)襯區(qū)格一般為正方形，因此，

式中：l為區(qū)格邊長。

2.2 起拱積煤重力

內(nèi)襯起拱區(qū)格上的積煤重力G可以按積煤錐體重量簡化計(jì)算。積煤錐體的體積V為在起拱區(qū)格的投影面積As內(nèi)（即圖3所示的起拱形狀在X-Z或Y-Z平面上的投影）、由貯料破裂角θ所包圍的空間，計(jì)算公式見式（5）—（6）：

2.3 溫度作用

區(qū)格起拱后將對區(qū)格角部塞焊點(diǎn)形成一定的溫度應(yīng)力。如在溫差70℃的工況下，采用有限元分析軟件ANSYS對內(nèi)襯受力情況進(jìn)行模擬，角部焊點(diǎn)處位置的Mises應(yīng)力分布如圖4所示。除受應(yīng)力集中影響的單元以外，塞焊點(diǎn)附近單元的應(yīng)力均值σ處于約80 N/mm2的水平。

圖4 溫差70℃時內(nèi)襯在焊點(diǎn)位置的Mises應(yīng)力分布

當(dāng)相鄰區(qū)格未發(fā)生破壞時，各區(qū)格應(yīng)力水平相當(dāng)，塞焊點(diǎn)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，而當(dāng)相鄰區(qū)格失效后，有效塞焊面積Af上將受溫度作用引起荷載S，計(jì)算公式見式（7）。

2.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)

目前在鋼煤斗內(nèi)襯設(shè)計(jì)時，并未將內(nèi)襯作為受力構(gòu)件，且并未綜合考慮多種工況的條件，因此套用典型設(shè)計(jì)易發(fā)生設(shè)計(jì)漏項(xiàng)。改進(jìn)設(shè)計(jì)的思路涵蓋3個方面：

（1）改用爆炸金屬復(fù)合板替代不銹鋼板與母材組合的形式。

（2）采用螺栓或錨栓連接替代焊接形式。

（3）采用合理的焊接設(shè)計(jì)。

以上3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性如下：

（1）爆炸金屬復(fù)合板的優(yōu)點(diǎn)是將內(nèi)襯與母材處理為復(fù)合材料，因此結(jié)構(gòu)完整性高，不存在分層變形不協(xié)調(diào)的問題，也便于安裝。但爆炸金屬復(fù)合板造價較高，因此在電力行業(yè)中仍較少采用。

（2）螺栓或錨栓連接的優(yōu)點(diǎn)是可以使內(nèi)襯的螺栓孔邊與螺栓之間保留一定間距，使內(nèi)襯板材在熱膨脹過程中具有一定的自由延伸空間，能有效地降低溫度應(yīng)力。但采用螺栓或錨栓連接會增加施工階段的工作量，且尚無適應(yīng)于高溫環(huán)境的柔性密封材料對螺栓孔進(jìn)行封堵。在運(yùn)行過程中，煤粉可能通過螺栓孔擠入內(nèi)襯與母材之間，導(dǎo)致內(nèi)襯自由脹縮的能力逐漸降低。

（3）對焊接方法的改進(jìn)屬于在常規(guī)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上的優(yōu)化，在造價和進(jìn)度兩方面上均優(yōu)于上述2個方案。因此，此處主要從改進(jìn)焊接設(shè)計(jì)的角度考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 工程分析

3.1 工程概況

某發(fā)電廠采用大直徑圓形筒倉結(jié)構(gòu)貯煤，上部豎直倉壁段高 22.64 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；下部卸煤錐斗高16.5 m，為鋼煤斗。立面圖如圖5所示。鋼煤斗采用Q235B鋼板制作，懸掛于錐斗頂部的鋼筋混凝土梁上，其內(nèi)襯采用304L不銹鋼。內(nèi)襯安裝方式同圖1一致。

鋼煤斗安裝時間為11月，施工期月平均溫度為10℃。在運(yùn)行期，筒倉內(nèi)檢測到的最高溫度為80℃，最大溫差70℃。發(fā)電廠投產(chǎn)17個月后，煤斗中的不銹鋼板內(nèi)襯在漏斗頂面以下8.4 m部分區(qū)塊發(fā)生脫落。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)部分尚未脫落的不銹鋼板有明顯的鼓包現(xiàn)象。通過對脫落的不銹鋼板進(jìn)行檢查，排除了煤粉擠入內(nèi)襯與母材的接觸面從而引發(fā)內(nèi)襯鼓包的因素。

圖5 某工程煤斗立面圖

經(jīng)過分析認(rèn)為，內(nèi)襯鼓包的現(xiàn)象是在溫度作用下，因內(nèi)襯材料的線膨脹系數(shù)高于母材，從而產(chǎn)生了一定程度的隆起。在初始施工缺陷與煤粉堆載共同影響下，起拱部分內(nèi)襯的變形加劇，使塞焊部位由于應(yīng)力不平衡而脫落。

圖6 某發(fā)電廠煤斗內(nèi)襯起拱、脫落情況

3.2 計(jì)算分析

通過查閱該工程鋼煤斗施工圖及供煤參數(shù)，原設(shè)計(jì)采用的計(jì)算參數(shù)取值列于表2。

根據(jù)式（1）—（7），利用表2參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。其中，焊縫承載能力C指內(nèi)襯區(qū)格的焊縫承載能力。

表2 錐體中貯料計(jì)算參數(shù)取值

表3 起拱區(qū)格內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu) N

常規(guī)鋼煤斗設(shè)計(jì)中一般忽略溫度作用，為比較由此帶來的影響，列出忽略溫度作用和加入溫度作用后的2種設(shè)計(jì)工況E1和E2。其中：

由表3可逐項(xiàng)計(jì)算各工況下的安全系數(shù)F。

計(jì)算工況E1時，即不存在施工缺陷、忽略溫度荷載影響時，由式（11）計(jì)算得到F1=1.07。表明塞焊點(diǎn)承載能力尚能承受貯料切向力及起拱積煤重力。而計(jì)算工況E2，即疊加溫度荷載后，由式（12）計(jì)算得到F2=0.85，表明此時焊縫極易破壞。而在煤倉底部（hh=16.5 m，T=5490.87 N，E2=6601.14 N），如有施工缺陷必須考慮溫度作用時，F(xiàn)2=0.69。即使不考慮溫度作用，也仍有發(fā)生脫落的隱患。

3.3 焊縫優(yōu)化方案

3.3.1 增加焊縫尺寸

在焊縫尺寸方面，可參照中國建筑行業(yè)規(guī)程GB 50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》5.4節(jié)以及美國國家標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1/D1.1M-2015中2.4.5節(jié)的規(guī)定[9，10]，塞焊時內(nèi)襯板開孔直徑應(yīng)大于開孔板厚度加8 mm，且小于最小直徑加3 mm與開孔件厚度2.25倍之間的較大值。當(dāng)開孔件厚度不大于16 mm時，焊縫填焊高度取值為不大于板件的厚度；當(dāng)開孔件厚度大于16 mm時，焊縫填焊高度取值為板件厚度的1/2和16 mm之間的較大值；最小填焊高度不得小于2個連接部件中較薄板件的厚度。塞焊最小中心間距應(yīng)為孔徑的4倍。

根據(jù)規(guī)程要求并結(jié)合本工程實(shí)際情況，塞焊開孔直徑應(yīng)在11～14 mm范圍內(nèi)選擇，取12 mm；焊縫填焊高度取3 mm；焊點(diǎn)間距仍為300 mm。采用該塞焊方案，可將塞焊點(diǎn)承載能力提高至18095 N，破壞位置的安全系數(shù)能提高至3.38，煤倉底部（hh=16.5 m）的安全系數(shù)也能達(dá)到2.74。

3.3.2 降低溫度荷載

為保證施工缺陷導(dǎo)致的溫度荷載施加于塞焊點(diǎn)，建議施工方對上下兩層不銹鋼板間的搭接方式（見圖1（c）），由原來的塞焊改為在上層板底部施加間斷或連續(xù)的角焊縫，將各層不銹鋼板焊接成整體，防止不銹鋼板邊緣在豎向?qū)雍缚p的起、落弧缺陷處撕裂。

3.3.3 處理效果

根據(jù)以上處理方案，施工方對不銹鋼板脫落區(qū)域的不銹鋼板重新施焊安裝。經(jīng)過近6個月同等工況的運(yùn)行后，內(nèi)襯完好，未再次發(fā)生脫落，表明該設(shè)計(jì)方案合理有效。

4 結(jié)論

通過分析鋼煤斗不銹鋼內(nèi)襯板在溫度與機(jī)械力共同作用下的變形受力問題，提出了優(yōu)化不銹鋼板焊接設(shè)計(jì)的方案，總結(jié)為以下3點(diǎn)：

（1）矩形或直徑較大的圓形鋼煤斗的不銹鋼內(nèi)襯在施工期與生產(chǎn)期的溫差條件將造成內(nèi)襯板起拱變形。

（2）在堆煤高度較大時，內(nèi)襯板受溫度與機(jī)械力共同作用，可能導(dǎo)致塞焊點(diǎn)的破壞。

（3）不銹鋼板在設(shè)計(jì)時應(yīng)使塞焊點(diǎn)能完全承受區(qū)格內(nèi)的溫度與機(jī)械力共同作用。應(yīng)采取措施使內(nèi)襯自上而下形成整體，保證在不銹鋼板不因施工缺陷而承受溫度作用。

此處研究的不銹鋼內(nèi)襯受荷載變形的過程主要基于彈性階段，其在塑性狀態(tài)下破壞的過程仍有待進(jìn)一步分析研究，對于改善不銹鋼內(nèi)襯的布置方式將具有指導(dǎo)作用。

[1]陳壽標(biāo).基于STAAD PRO的鋼煤斗有限元三維計(jì)算分析[J].福建建筑，2009，129（3）∶50-53.

[2]張震，王黎明.淺談鋼煤斗的設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2009，35（7）∶69-70.

[3]姜東，林娜，張紅.某復(fù)雜鋼煤斗的有限元計(jì)算和幾點(diǎn)設(shè)計(jì)體會[J].特種結(jié)構(gòu)，2010，27（6）∶56-58.

[4]李雪峰.鍋爐原煤倉變形故障診斷分析及處理[J].浙江電力，2016，35（9）∶66-70.

[5]趙世偉，刁潤麗，劉嘉，等.魯陽發(fā)電廠原煤倉下煤不暢的治理[J].浙江電力，2016，35（2）∶63-67.

[6]劉曉靜.鋼煤斗不銹鋼內(nèi)襯焊接[J].安裝，2006（5）∶33-35.

[7]劉福新.電廠不銹鋼復(fù)合板煤斗焊接技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（11）∶39-40.

[8]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[9]GB 50661-2011鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[10]AWS D1.1/D1.1M-2015 Structural Welding Code-Steel [S].Amerlcan Welding Society，2015.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis on Design of Stainless Steel Lining for Steel Coal Bucket in Complicated Operating Conditions

WANG Zhilei，ZHU Jian，HE Jiangfei
（CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

There is potential safety hazard in steel coal bucket with stainless steel lining for coal storage in coal-fired power plants in operation condition of high temperature and coal piles.The coal bucket lining bulges under the effect of temperature.The effect of shear force of coal，cumulative coal weight and the temperature on plug weld of lining is analyzed via code formula and numerical model；besides，it is calculated based on a project case.Furthermore，the paper proposes an optimal design plan of enlarging plug weld size and using fillet welds at which stainless steel plates are connected to avoid the temperature load increase induced by construction defect.After treated with the plan，the lining remains unbroken and does not fall off any more with the unit runs for six months under the same operating condition，which demonstrates the reasonability and effectiveness of the design plan.

steel coal bucket；lining；stainless steel plate；plug weld；temperature load

TM621

：B

：1007-1881（2017）03-0046-05

2016-12-02

王智磊（1984），男，高級工程師，博士，從事發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)工程及巖土工程設(shè)計(jì)。