蘭洪強(qiáng) 張 毅 蘭 林 劉萍萍 葉 樺 曹建強(qiáng) 王 泳 李廣東

1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041；2.蘇州云白環(huán)境設(shè)備制造有限公司, 江蘇 蘇州 215000

0 前言

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng),經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)的重要性。工業(yè)煙囪作為石油石化行業(yè)和火電行業(yè)重要的尾氣排放設(shè)備,其作用舉足輕重。越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),以及越來(lái)越大型化的工業(yè)規(guī)模,促使工業(yè)煙囪朝著復(fù)雜化、大型化發(fā)展。較之傳統(tǒng)的混凝土煙囪,鋼制煙囪在一定程度上解決了混凝土煙囪腐蝕、老化的問(wèn)題,并能更好地解決排煙的二次污染問(wèn)題[1- 12]。鋼結(jié)構(gòu)的特性有利于定期檢測(cè)和安全使用壽命的評(píng)估,除此之外,鋼制煙囪結(jié)構(gòu)在節(jié)約原材料、降低成本和縮短施工周期方面都具有很大的潛力,可靠性高,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更為合理[12- 13]。

天然氣凈化工業(yè)中,硫黃回收工藝是確保環(huán)保安全的重要技術(shù),為滿足環(huán)保要求,煙囪通常高度為90～120 m不等。經(jīng)多級(jí)焚燒和余熱回收的高溫?zé)煔馔ǔ：蠳Ox、SO2、SO3、H2S等產(chǎn)物[2],具有腐蝕性較強(qiáng)、介質(zhì)溫度高(300～650℃)和存在一定毒性(可能含微量H2S)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)做法采用鋼制煙囪殼體內(nèi)襯耐高溫澆注料襯里,并以鋼制塔架對(duì)煙囪筒體進(jìn)行支撐,并由塔架承擔(dān)地震和風(fēng)載荷對(duì)煙囪的影響,確保煙囪的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此法技術(shù)成熟可靠,但存在施工難度大，占地、造價(jià)等綜合成本較高的缺點(diǎn)。隨著自立式高聳構(gòu)筑物的發(fā)展,工業(yè)用鋼制煙囪已發(fā)展出多種不帶輔助支撐的自立式結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合調(diào)研成果、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和分析計(jì)算,介紹了鋼制尾氣煙囪的結(jié)構(gòu)選型原則和結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法,綜合考慮技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性,為類似工程前期方案策劃,提供參考和借鑒。

1 工藝介紹

中小規(guī)模的克勞斯裝置尾氣焚燒工藝通常采用直接熱焚燒的方式,即在有過(guò)量空氣存在的情況下,燃料氣與空氣燃燒后生成的煙氣將尾氣加熱到一定溫度,使其中的含硫化合物全部轉(zhuǎn)化為SO2,焚燒產(chǎn)物經(jīng)尾氣煙囪排入大氣中,見圖1。該工藝適合于中小規(guī)模的克勞斯裝置,排放的尾氣溫度一般在550～650℃。

圖1 尾氣焚燒直接排放流程圖

對(duì)于大型克勞斯裝置,為降低能耗通?？紤]在尾氣焚燒爐后設(shè)置廢熱鍋爐,利用回收的熱量產(chǎn)生壓力為3.5～4 MPa 的蒸氣,并將尾氣溫度降低至300～350℃,見圖2。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 常見結(jié)構(gòu)形式

鋼制煙囪作為高聳構(gòu)筑物,從支撐結(jié)構(gòu)類型上,主要分為拉索式、塔架式、自立式和集束式。

圖2 尾氣焚燒-回收余熱后排放流程圖

2.1.1 拉索式

拉索式在煙筒中上部位置采用均布斜拉鋼索的結(jié)構(gòu),通過(guò)均布的預(yù)緊拉力傳遞到地面基礎(chǔ),使煙囪正常操作承受風(fēng)載作用時(shí)保持穩(wěn)定。由于拉索式結(jié)構(gòu)屬于預(yù)拉伸的柔性結(jié)構(gòu),基本無(wú)法承擔(dān)地震載荷。此外,由于拉索需要與煙筒保持一定的角度,對(duì)于超過(guò)20 m的拉索式鋼制煙囪,其地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分布占地區(qū)域面積大,隨著煙囪的日趨大型化,鋼制煙囪的安全性要求更高，用地需求更加緊張。拉索式支撐結(jié)構(gòu)僅適用較小規(guī)模的設(shè)備[13- 15]。

2.1.2 塔架式

塔架式結(jié)構(gòu)采用塔架鋼結(jié)構(gòu)形式,與設(shè)備筒體采用抱箍連接,形成整體式具有較高剛度的組合鋼結(jié)構(gòu),可有效承擔(dān)風(fēng)載荷和地震載荷。其缺點(diǎn)是塔架結(jié)構(gòu)地面基礎(chǔ)部分占地面積相對(duì)較大,給用地緊張地區(qū)的工程實(shí)施帶來(lái)一定的困難。塔架式煙囪適用于煙囪高度高,高徑比(H/D)大,建造地區(qū)煙囪所受風(fēng)載荷和地震載荷較大的項(xiàng)目。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)研情況,結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際現(xiàn)狀,考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性,120 m以上煙囪宜選用塔架式鋼制結(jié)構(gòu)。另外,在煙囪穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性,應(yīng)對(duì)塔架式煙囪和自立式煙囪進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比[13-15]。

2.1.3 自立式

自立式鋼制煙囪無(wú)需外部鋼結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)支撐,靠自身筒體剛度和強(qiáng)度,以及底座與基礎(chǔ)的連接承擔(dān)煙囪操作運(yùn)行時(shí)的風(fēng)載荷和地震載荷,筒體本身滿足強(qiáng)度、剛度、撓度、振動(dòng)和穩(wěn)定性等要求,確保煙囪本體安全可靠[4]。

從國(guó)外煙囪理論和應(yīng)用業(yè)績(jī)看,自立式煙囪本體結(jié)構(gòu)比非自立式煙囪結(jié)構(gòu)尺寸和耗鋼量大,但在綜合占地指標(biāo)上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。且自立式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)組裝、施工更為簡(jiǎn)便,已經(jīng)成為國(guó)外眾多工程應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu)形式。自立式鋼制煙囪由于計(jì)算模擬分析復(fù)雜,在國(guó)內(nèi)尚未大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

根據(jù)國(guó)外和國(guó)內(nèi)自立式煙囪應(yīng)用情況,目前高度不超過(guò)100 m的煙囪,采用自立式結(jié)構(gòu)有較高的可行性。

2.1.4 集束式

集束式結(jié)構(gòu),即多根煙囪(煙筒)采用一定的幾何結(jié)構(gòu)形式排列,相互之間通過(guò)抱箍結(jié)構(gòu)連接為一個(gè)整體,形成組合式結(jié)構(gòu),從而增加煙囪整體的剛度,滿足設(shè)計(jì)條件下風(fēng)載荷和地震載荷的要求。

集束式結(jié)構(gòu)占地空間小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是適用范圍窄,僅適用于多列裝置或同類型裝置,且對(duì)工藝裝置的總圖布置和對(duì)工藝配管的要求高。

2.2 理論依據(jù)

2.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震分析中最常用的方法。該方法通過(guò)計(jì)算一組正交向量之后,將大型整體平衡方程組縮減為數(shù)量相對(duì)較少的解耦的二階微分方程,縮短用于數(shù)值求解這些方程的計(jì)算時(shí)間,并為結(jié)構(gòu)靜力分析和其他動(dòng)力分析提供運(yùn)算基礎(chǔ)。

([K]-ω2[M]){φ}={0}

(1)

式(1)為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程,模態(tài)分析就是計(jì)算該特征方程的特征值{ωi}(i=1,2,3,…,n),以及其對(duì)應(yīng)的特征向量{φi}=(i=1,2,3,…,n),從而構(gòu)成一個(gè)完備的模態(tài)集,描述其動(dòng)力特性。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了減少計(jì)算量，通常取前6階段分析結(jié)果[5]。

2.2.2 反應(yīng)譜IMD分析

地震反應(yīng)譜有力反應(yīng)譜、位移反應(yīng)譜、速度反加速度反應(yīng)譜等,GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的是根據(jù)加速度反應(yīng)譜得到的地震影響系數(shù)曲線,該影響系數(shù)取結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)與重力加速度的比值,以使該系數(shù)無(wú)量綱化。反應(yīng)譜理論考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性之間的動(dòng)力關(guān)系,通過(guò)反應(yīng)譜來(lái)計(jì)算由結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性(自振周期、振型和阻尼)所產(chǎn)生的共振效應(yīng)。地震時(shí)結(jié)構(gòu)所受到的最大水平基底剪力,即總水平地震作用為：

FEK=kβ(T)G=α(T)G

(2)

式中：k為地震系數(shù);β(T)=Sa(T)/a為加速度反應(yīng)譜Sa(T)與地震動(dòng)最大加速度a的比值,表示地震時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的放大倍數(shù)；G為結(jié)構(gòu)等效重力載荷代表值;a(T)=kβ(T)為地震影響系數(shù)，是加速度反應(yīng)譜Sa(T)與重力加速度g的比值，表示地震時(shí)由于振動(dòng)加速度引起的地震力與等效重力荷載代表值的比值。

本文采用的反應(yīng)譜通過(guò)軟件生成，見圖3。

圖3 反應(yīng)譜曲線

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 建模

單筒式煙囪和套筒式煙囪從結(jié)構(gòu)支撐類型上無(wú)本質(zhì)區(qū)別,分析方法相同,套筒式煙囪的內(nèi)筒除自身重力以外不考慮其他載荷,主要支撐由外筒承擔(dān)。因此在進(jìn)行分析時(shí)均按照單筒考慮,建立模型。

針對(duì)某工程的鋼制煙囪,采用LUSAS商業(yè)軟件,建立模態(tài)分析模型,該鋼制煙囪的結(jié)構(gòu)形式為自立式鋼制煙囪,總體高度為90 m,分為3個(gè)變徑段,底座為地腳螺栓連接。具體結(jié)構(gòu)建見圖4～5。

計(jì)算滿足如下假定條件：

1)材料為連續(xù)均勻各向同性。

2)分析始終假定整個(gè)模型保持在材料的彈性限度之內(nèi)。

3)采用三維實(shí)體元素建模和分析,以便更詳細(xì)評(píng)估這些應(yīng)力。

2.3.2 地震分析

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果和生成的反應(yīng)譜進(jìn)行動(dòng)力分析。對(duì)于自立式鋼制煙囪,豎向加速度引起的作用于煙囪橫截面的縱向力計(jì)算容易,因此對(duì)于模型應(yīng)力分析暫不考慮豎向加速度的影響,簡(jiǎn)化模型加載情況,簡(jiǎn)化計(jì)算。因此只分析平面內(nèi)X、Y方向的作用力與反力和相關(guān)的位移[16-19]。

圖4 自立式鋼制煙囪結(jié)構(gòu)圖

圖5 自立式鋼制煙囪有限元整體模型

根據(jù)規(guī)范和煙囪實(shí)際工程資料,確定工程所在地的地震設(shè)防烈度、建筑類別、類場(chǎng)地土類別和設(shè)計(jì)地震分組、特征周期、地震影響系數(shù)、結(jié)構(gòu)阻尼比ξ,計(jì)算得到相關(guān)的反應(yīng)譜曲線，見圖3。

2.3.3 風(fēng)載荷分析

由于煙囪近似于一端固支的長(zhǎng)柔桿結(jié)構(gòu),與其他類型的結(jié)構(gòu)比較,鋼制煙囪的水平荷載引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特別強(qiáng)烈。在各類載荷中,風(fēng)載荷對(duì)煙囪結(jié)構(gòu)是最重要的,不僅結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大部分是風(fēng)載荷引起的,而且煙囪結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的動(dòng)力源也是風(fēng)載荷。

因此,鋼制煙囪設(shè)計(jì)時(shí)要求結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)下不會(huì)發(fā)生破壞、倒塌、開裂、局部失穩(wěn)、存在殘余變形。在脈動(dòng)風(fēng)載荷作用(包括順風(fēng)向、橫風(fēng)向旋渦干擾力)下,會(huì)引起煙囪結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)(包括動(dòng)內(nèi)力、動(dòng)位移、振動(dòng)加速度)。其振動(dòng)反應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性有關(guān),結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)形式都將影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。風(fēng)載荷確定則與煙囪結(jié)構(gòu)的自振頻率(周期)、各階振型等有著密切的聯(lián)系。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》垂直于建筑表面上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值,應(yīng)按以下公式計(jì)算：

Wk=βkμsμkWo

(3)

式中：Wk為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；βk為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)載荷體型系數(shù)；μk為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；Wo為基本風(fēng)壓,kPa。

根據(jù)本文研究煙囪的所在地,風(fēng)壓取值為0.4 kPa。

順風(fēng)力作用下,順風(fēng)向和橫向風(fēng)產(chǎn)生響應(yīng)。橫風(fēng)力作用下,由于漩渦形成的情況不同,結(jié)構(gòu)受力情況也不同。

2.3.4 分析結(jié)果

2.3.4.1 模態(tài)分析結(jié)果

本模型模態(tài)分析,一共輸入20階,取前6階的結(jié)果分析。高階振動(dòng)出現(xiàn)豎向振動(dòng),對(duì)于這類型的結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)表現(xiàn)不明顯,因此暫不考慮。模態(tài)分析結(jié)果見表1。

表1前6階模態(tài)分析結(jié)果

階次周期T/s頻率f/Hz11.4270.70121.3140.76130.3053.27540.3053.27750.1228.16660.1228.166

從模態(tài)分析結(jié)果看出：主體結(jié)構(gòu)第1階固有頻率為f=0.707 Hz,T1=1.427 S,基本周期適中,說(shuō)明結(jié)構(gòu)橫向剛度比較合理。T2/T1=0.921,結(jié)構(gòu)縱橫兩向周期比較接近,說(shuō)明結(jié)構(gòu)兩方向剛度均勻,抗震性能較好[6]。

2.3.4.2 綜合工況分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,獲得鋼制煙囪在自重、風(fēng)載、溫度等載荷下的應(yīng)力和相關(guān)的位移,見圖6和表2,結(jié)果符合GB 50051-2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》要求(以下簡(jiǎn)稱GB 50051-2013)。

圖6 最大應(yīng)力和相關(guān)的位移

表2應(yīng)力分析結(jié)果

項(xiàng)目應(yīng)力max/MPa應(yīng)力min/MPa位移/mmGB50051-2013位移規(guī)定值/mm結(jié)果29.98-49.97114.34L/100=200

3 推薦選型

3.1 基本原則

自立式鋼制煙囪從筒體結(jié)構(gòu)類型可分為單筒式和套筒式。

單筒式煙囪和套筒式煙囪從結(jié)構(gòu)支撐類型上無(wú)本質(zhì)區(qū)別,皆可使用上述支撐結(jié)構(gòu)類型。套筒式煙囪相比單筒式煙囪更便于解決溫度和腐蝕問(wèn)題。應(yīng)針對(duì)不同的煙氣溫度工況和腐蝕特性,選取合適的筒體結(jié)構(gòu),兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。可對(duì)不同煙氣工況進(jìn)行分類,以便于筒體結(jié)構(gòu)選型。溫度工況和腐蝕特性不同導(dǎo)致選型不一致時(shí)需采用更安全的筒體結(jié)構(gòu)類型。

3.2 溫度工況選型

不同介質(zhì)溫度下推薦的結(jié)構(gòu)形式見表3。

表3不同介質(zhì)溫度下推薦結(jié)構(gòu)形式

煙氣溫度/℃主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)防腐保溫形式襯里保溫套筒60≤t<150露點(diǎn)腐蝕◇/★150≤t<350露點(diǎn)腐蝕+高溫?zé)煔飧g☆◇★350≤t<600高溫?zé)煔飧g☆/★600≤t高溫?zé)煔飧g★/☆ 注:★為優(yōu)選形式;☆為次優(yōu)選形式;◇為可選形式。

應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)煙氣溫度60℃≤t<150℃時(shí),主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)是露點(diǎn)腐蝕,因此鋼制煙囪應(yīng)針對(duì)露點(diǎn)腐蝕采取相應(yīng)措施。優(yōu)選方案可采取耐蝕合金內(nèi)套筒式結(jié)構(gòu),也可采用內(nèi)襯里(含防腐涂料)的措施。采用外保溫的形式解決不了酸氣露點(diǎn)腐蝕,因此不應(yīng)采用。

2)煙氣溫度150℃≤t<350℃時(shí),主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)介于酸氣露點(diǎn)腐蝕和高溫硫化腐蝕之間,腐蝕類型對(duì)溫度參數(shù)的變化敏感,腐蝕機(jī)理復(fù)雜,應(yīng)進(jìn)行精確的傳熱計(jì)算,同時(shí)為保證設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行,推薦采用套筒式結(jié)構(gòu)，兼顧設(shè)備強(qiáng)度和穩(wěn)定性,其耐高溫和耐腐蝕性能俱佳；推薦采用內(nèi)襯里結(jié)構(gòu)形式,輔以防腐涂料,工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明可靠性較高；外保溫形式作為可選項(xiàng),需結(jié)合精確的傳熱計(jì)算,確保煙筒壁面金屬壁溫高于介質(zhì)露點(diǎn)溫度；由于保溫結(jié)構(gòu)工程量大,施工難度高,如有缺陷,將導(dǎo)致保溫層在雨雪氣候中失效,從而導(dǎo)致金屬壁溫偏離設(shè)計(jì)值,引起嚴(yán)重腐蝕。

3)煙氣溫度350℃≤t<650℃時(shí),主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為高溫?zé)煔飧g,因此采用套筒式結(jié)構(gòu)和襯里式結(jié)構(gòu),都可以很好地避免碳鋼筒體與高溫?zé)煔饨橘|(zhì)的直接接觸。其中套筒式結(jié)構(gòu)完全杜絕碳鋼外筒體的腐蝕風(fēng)險(xiǎn),施工質(zhì)量高的襯里結(jié)構(gòu)則可以大大降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。保溫結(jié)構(gòu)因不能解決金屬壁溫過(guò)高以及碳鋼金屬材料特性變化的問(wèn)題,因此不予推薦。

4)煙氣溫度650℃≤t時(shí),主要腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為高溫?zé)煔飧g。由于套筒式結(jié)構(gòu),需要耐高溫性能更好的耐蝕合金作為內(nèi)筒,其材料成本較高,但作為技術(shù)方案,為可選方案。采用隔熱襯里結(jié)構(gòu),可以很好地解決耐高溫的問(wèn)題,但由于溫度過(guò)高引起的襯里層過(guò)厚,導(dǎo)致襯里層垮塌等失效的風(fēng)險(xiǎn)也是存在的。因此,建議超過(guò)650℃的尾氣系統(tǒng),從工藝上盡量考慮余熱回收,從而降低煙氣溫度。

3.3 腐蝕特性選型

導(dǎo)致煙氣腐蝕性的原因有腐蝕介質(zhì)、煙氣溫度、煙氣濕度、煙氣流速等。鋼制煙囪腐蝕性選型應(yīng)針對(duì)具體案例,界定腐蝕機(jī)理,選取適宜的防腐內(nèi)襯。對(duì)于筒體結(jié)構(gòu)在腐蝕特性影響下只做大類劃分。

1)微腐蝕,常規(guī)為煙溫150～300℃,腐蝕介質(zhì)含量低,可選用單筒式或套筒式。

2)中度腐蝕,常規(guī)為煙溫小于150℃,有一定腐蝕介質(zhì),宜選用套筒式。

3)強(qiáng)腐蝕,常規(guī)為煙溫小于100℃,腐蝕介質(zhì)含量高,煙氣濕度大或煙氣溫度高于450℃,腐蝕介質(zhì)含量高,應(yīng)選用套筒式。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析,自立式鋼制煙囪在各種綜合載荷下應(yīng)力、位移值均在規(guī)范允許的范圍內(nèi),鋼煙囪結(jié)構(gòu)在節(jié)約原材料、降低成本和縮短施工周期方面都具有很大的潛力，應(yīng)用于實(shí)際工程中具有經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性等優(yōu)勢(shì)。

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