程新宇，沈志恒，李爭，朱保慶

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

海上固定平臺中一般設置有大型發(fā)電機組，發(fā)電機組通常由透平發(fā)動機和發(fā)電機組成，透平發(fā)動機排出的煙氣通過排煙管道和鋼制煙囪排至平臺安全地點，煙氣溫度高達550℃。在工程設計中鋼制煙囪結構一般分為塔架式、自立式、拉索式，對于高徑比小于20的鋼制煙囪可采用自立式結構[1][2]。海上固定平臺由于空間限制，主電站的排煙系統(tǒng)采用了不同于一般鋼制煙囪側面開孔接入煙道的方式，而是采用排煙管道與鋼制煙囪直連的結構。側面接入煙道的鋼制煙囪，由于煙囪固定基礎遠離煙道接入口，高溫煙氣對于鋼制煙囪的固定基礎熱影響較小。但對于本文提出的煙道連接方式和固定基礎的結構形式，鋼結構的溫度應力是設計中必須考慮的重要因素。國內現(xiàn)行的煙囪設計標準及規(guī)范中未考慮溫度應力對于鋼制煙囪的影響[1][2][5]，相關的參考文獻中很少涉及這一問題。本文針對提出的一種新型的高溫鋼煙囪結構形式，通過有限元分析計算了鋼制煙囪的溫度分布以及在熱應力和外部載荷作用下，鋼制煙囪新型結構的安全可靠性能。

1 自立式鋼制煙囪設計方案

圖1為透平發(fā)動機廢熱裝置排煙管道與鋼制煙囪安裝的三維模型示意圖。鋼制煙囪的設計尺寸如圖2所示，直徑3.3m，高12m。煙氣從壓縮機排煙口出來，經(jīng)膨脹節(jié)、變徑、消音器、天圓地方、煙囪內筒、自立式鋼制煙囪，最后排入大氣。煙囪本體材料選用15CrMoR，此鋼板可以在475℃高溫下正常使用，因此可以不設置內襯隔熱層[2][3]。

圖1 煙囪三維模型示意圖

圖2 鋼制煙囪尺寸圖

內筒與鋼制煙囪之間裝有陶瓷棉隔熱層，見圖3，可以使煙囪支撐基礎的溫度保持在環(huán)境溫度左右，這樣煙囪的基礎環(huán)可以采用焊接的方式生根于支撐平臺。內筒與煙道連接，起到了疏導煙氣的作用，且和煙囪無直接的連接，因此不用考慮其強度計算。這里只計算分析煙囪本體。分析中需要考慮重力載荷、溫度載荷、風載荷、地震載荷對結構的作用。

圖3 隔熱層結構

2 環(huán)境及載荷條件

風速選取極端暴風工況100年一遇的3秒最大風速計算[4]。在風載的作用下煙囪的壁溫下降，間接提高了煙囪材料使用的許用應力。在一般無風載工況下，煙囪壁溫最高，材料許用應力最小，也是一種需要考慮的危險工況。海上固定平臺承受的地震加速度見表1。

表1 地震載荷

考慮煙囪溫度應力和風載的作用，計算工況需要考慮兩種極端工況，無風工況和百年一遇的風暴工況。針對最苛刻的環(huán)境條件，本文只討論風暴工況下鋼制煙囪的分析計算。

3 鋼制煙囪的分析計算

3.1 鋼制煙囪受力計算

3.1.1 煙囪壁溫計算

根據(jù)煙氣溫度、流速、風速、環(huán)境溫度可以計算得到，根據(jù)傳熱學計算得到煙囪壁溫tw=100℃，煙囪外壁平均對流換熱系數(shù)為ho=99.4W/m2·K。

3.1.2 風載荷計算

將煙囪按標高分為58.025-61.625m，61.625-69.5m共2段，受力簡圖如圖4。

圖4 煙囪風壓和彎矩簡圖

基本風壓ω0的計算：

ρ-距海面10m處標準空氣密度；v0-距海面10m處極端風暴3秒陣風。

3.1.3 可以根據(jù)GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》和GB 50051-2013《煙囪設計規(guī)范》設計計算，在暴風工況下鋼制煙囪的截面1載荷為22MPa，截面2載荷為13.3MPa，滿足100℃下材料的許用應力。鋼制煙囪的穩(wěn)定性和橫風向風振效應滿足設計要求。

3.1.4 煙囪支撐板筋及基礎環(huán)的強度有限元分析

外部煙囪壁加載100℃的溫度，與環(huán)境大氣直接接觸的外表面設置自然對流系數(shù)99.4W/m2K，溫度分布計算結果如圖5所示，由計算結果可知，支撐部位溫度降到了環(huán)境溫度16℃。

圖5 溫度云圖

將溫度分布耦合到煙囪的靜力結構分析中，約束為基礎環(huán)固定，加載風壓和重力載荷，最終的應力分布如圖6所示。最大應力為局部應力224MPa。

圖6 應力云圖

根據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器 分析設計標準》中5.2.2條，最大應力處為機械結構不連續(xù)處機械載荷引起的二次應力，小于3倍100℃許用應力為519MPa，因此結構強度滿足要求。

4 結論

本文提出的新型大口徑高溫鋼制煙囪結構形式，能夠更好地適應海上固定平臺的空間布置需求。局部隔熱層的結構設計，避免了高溫煙氣對煙囪固定基礎鋼結構的熱應力影響。通過分析計算確保了自立式鋼制煙囪滿足高溫排煙、結構強度、穩(wěn)定性、橫風向風振等設計要求。采用熱力耦合的有限元分析方法，計算了鋼制煙囪溫度梯度分布產(chǎn)生的熱應力對結構強度的受力影響。本文設計的自力式鋼制煙囪已成功應用于海上平臺的工程實際，使用安全可靠，驗證了設計方法的有效性和可靠性。

◆參考文獻

[1] GB 50051-2013，煙囪設計規(guī)范[S].

[2] GB50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）[S].

[3] GB 150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

[4] API RP 2A-2005,Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].

[5] 杜雷鳴，李海旺. 煙道孔對鋼煙囪的影響分析[J].鋼結構，2013，28(5)：27-29.