馮丙陽
中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司 北京 100010
近年來,隨著國(guó)內(nèi)百萬噸乙烯裝置的迅猛發(fā)展,裂解爐設(shè)備也朝著越來越大型化的方向發(fā)展,因此,優(yōu)化裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)對(duì)保證乙烯裝置結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,有關(guān)乙烯裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的研究大多集中于框架局部的研究,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架的整體設(shè)計(jì)研究較少,例如:陳春[1]對(duì)裂解爐爐壁板等效為拉壓斜桿進(jìn)行分析,推導(dǎo)了等效桿件截面面積公式;姜炳陽[2]基于工程經(jīng)驗(yàn),探討了裂解爐爐底鋼柱的設(shè)計(jì)方法;施慕桓[3]利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件研究了裂解爐鋼結(jié)構(gòu)改造加固方法。
基于前人在相關(guān)方面的研究成果,為完成裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的整體設(shè)計(jì),本文以某100萬噸/年乙烯工程裂解爐項(xiàng)目為工程實(shí)例,利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件STAAD.Pro V8i完成了鋼結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,以期為后來類似工作提供指導(dǎo)。
某100萬噸/年乙烯裂解爐,采用美國(guó)Technip SW的專利工藝包,包括重油爐2臺(tái)、輕油爐5臺(tái)和氣體爐1臺(tái),每臺(tái)裂解爐采用的是雙輻射爐膛,單對(duì)流室位于頂部的結(jié)構(gòu)。本文以重油爐F-110為例介紹裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)。
裂解爐框架橫向3跨,縱向9跨,長(zhǎng)32米,寬11.77米,高51.3米,共11層。各層框架布置在爐本體外圍,結(jié)構(gòu)采用鉸接柱腳,框架外非爐本體部分均設(shè)連續(xù)豎向支撐??蚣軜?gòu)件連接采用焊接,考慮到設(shè)備安裝及檢修,部分構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)采用栓接。
基本風(fēng)壓值:W0= 0.75kN/m2(地面粗糙度:A類)
場(chǎng)地土類別:Ⅱ類
抗震設(shè)防烈度:7 度(0.13g,αmax=0.117),第一組,Tg=0.40s
根據(jù)爐本體及設(shè)備布置,按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案建立STAAD.Pro模型,同常見鋼結(jié)構(gòu)框架相比,裂解爐框架主要有三部分不同:
(1)爐壁板
裂解爐爐壁板是由工字鋼、槽鋼或角鋼形成鋼骨架,再鋪設(shè)鋼板,鋼板和鋼骨架采用焊接組成的。因此,爐壁板不僅傳遞外加垂直荷載到框架柱上,而且還主要承受水平地震作用和風(fēng)荷載作用。所以,準(zhǔn)確模擬爐壁板對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架的影響對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性具有重要的影響。本計(jì)算模型建立四節(jié)點(diǎn)板單元模擬爐壁板,爐壁板厚度取6mm,在爐本體部分形成鋼板剪力墻結(jié)構(gòu),整體模型如圖1所示。
結(jié)構(gòu)模型已考慮爐本體荷載(約155t),,結(jié)構(gòu)分析時(shí)重新定義爐壁板材料屬性,忽略爐本體自重。這樣既考慮爐壁板的剛度又消除了爐壁板對(duì)設(shè)備自重的影響。
(2)框架柱底加強(qiáng)
裂解爐爐體剛度大,在爐底存在剛度突變,因爐底燃燒器布置要求,爐底部分鋼柱之間無法設(shè)置連續(xù)的豎向柱間支撐來提高整體剛度,為提高爐底柱剛度,本項(xiàng)目用閉口組合截面鋼柱結(jié)構(gòu)解決上述技術(shù)問題。閉口組合截面鋼柱由H型鋼柱和平行于H型鋼柱腹板方向的兩塊加強(qiáng)鋼板形成組合截面,同時(shí)在鋼柱強(qiáng)軸方向貼板增強(qiáng)鋼柱強(qiáng)軸方向抗彎剛度,并與柱腳底板焊接.
(3)框架柱變截面設(shè)計(jì)
對(duì)于底部雙輻射爐膛,頂部單對(duì)流室的裂解爐,上部鋼結(jié)構(gòu)框架柱不存在剛度突變,且承受荷載較小,出于經(jīng)濟(jì)性考慮,本項(xiàng)目上部鋼框架柱進(jìn)行變截面拼接設(shè)計(jì),將截面HW400X400、HW350X350柱變?yōu)镠W300X300截面,既減小了鋼結(jié)構(gòu)自重荷載有大大節(jié)省了鋼材。
裂解爐鋼框架的恒(活)荷載、地震荷載、設(shè)備荷載、管道荷載等同一般框架類似,在此不再贅述。本節(jié)主要對(duì)框架風(fēng)荷載進(jìn)行分析計(jì)算。
根據(jù)擋風(fēng)面積的不同,本項(xiàng)目將裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架風(fēng)荷載的計(jì)算分成三部分,分別是:考慮雙管效應(yīng)的輻射段部分、鋼框架+設(shè)備的對(duì)流段部分和開敞式鋼框架部分,具體詳見圖2.
圖2 風(fēng)荷載計(jì)算
(1)獨(dú)立墻壁+前后雙管
裂解爐輻射段部分,將輻射段部分等效為墻壁,依據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定:獨(dú)立墻壁及圍墻的體型系數(shù)為1.3.裂解爐輻射段有兩個(gè)爐膛,形成“前后雙管”形式。參照《荷規(guī)》表8.3.1第38項(xiàng),基于輻射段雙爐膛結(jié)構(gòu),應(yīng)考慮前后雙管效應(yīng)對(duì)墻壁體型系數(shù)的影響:
按照插值法,前后雙管效應(yīng)的體型系數(shù)μs=0.875,因?yàn)榍昂箅p管體型系數(shù)的基礎(chǔ)值為0.6,所以體型系數(shù)的放大系數(shù)為:
綜上,裂解爐輻射段部分的體型系數(shù)應(yīng)將墻壁體型系數(shù)乘以放大系數(shù)1.4581.
(2)開敞式鋼框架+設(shè)備
裂解爐對(duì)流段部分,對(duì)流段相當(dāng)于一個(gè)大型設(shè)備安裝在裂解爐鋼框架中,考慮到爐壁板相當(dāng)于獨(dú)立墻壁,故將此部分進(jìn)行等效處理,等效成獨(dú)立墻壁承擔(dān)風(fēng)荷載,因此,該部分體型系數(shù)直接取1.3.
(3)開敞式鋼框架
頂部鋼框架部分,通過統(tǒng)計(jì)鋼框架構(gòu)件擋風(fēng)面積,考慮多榀效應(yīng)求取鋼框架的整體體型系數(shù).
將裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架風(fēng)荷載分成上述三部分考慮,并依據(jù)《荷規(guī)》風(fēng)荷載計(jì)算公式:F=βzμzω0Ae,計(jì)算所得的每層風(fēng)荷載詳見下表1。
表1 框架順風(fēng)向風(fēng)荷載(kN)
(1)框架柱位移限值
依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)規(guī)定,對(duì)于鋼框架柱位移限值為:風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,柱頂位移容許值為H/500,層間相對(duì)位移容許值為h/400;多遇地震作用下,彈性層間位移角容許值為1/250。
(2)梁撓度限值
依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)規(guī)定,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)梁撓度限值為:框架梁和設(shè)備支撐梁容許值取L/400;次梁撓度容許值取L/250
(3)各類構(gòu)件最大允許長(zhǎng)細(xì)比
依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)分別對(duì)框架柱、支撐構(gòu)件等設(shè)置長(zhǎng)細(xì)比容許值。
(1)強(qiáng)度校核
提取結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果,所有構(gòu)件應(yīng)力比值均可用。選取典型斷面應(yīng)力比值如圖5所示。
圖5 對(duì)流段應(yīng)力比
(2)位移校核
① 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,框架H=51.3m高度處柱頂點(diǎn)的最大水平位移為Dmax=64.833mm,Dmax/H=64.833/51.3/1000=1/791〈1/500,滿足規(guī)范要求。
② 層間最大相對(duì)位移
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,框架層間最大相對(duì)位移為dmax=4.117mm,對(duì)應(yīng)層間高度為h=4m,則,dmax/h=4.117/4/1000=1/971〈1/400,滿足規(guī)范要求。
本文以筆者參與的某100萬噸/年乙烯裂解爐項(xiàng)目為工程實(shí)例,利用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件STAAD.Pro完成了大型裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的整體設(shè)計(jì),主要得出以下結(jié)論:
(1)STAAD.Pro模型中以板單元模擬爐壁板,考慮爐壁板剛度對(duì)框架的影響,同時(shí)對(duì)爐壁板賦予低密度材料屬性,防止?fàn)t壁板自重造成荷載重復(fù)計(jì)算。
(2)提出閉口組合截面鋼柱結(jié)構(gòu)解決爐底處剛度突變的技術(shù)方案,防止出現(xiàn)“胖柱”現(xiàn)象;對(duì)于上部荷載較小的部分,提出鋼柱變截面設(shè)計(jì),既降低了鋼結(jié)構(gòu)自重,又大大節(jié)省了鋼材。
(3)基于爐本體“雙輻射爐膛,單對(duì)流室”結(jié)構(gòu)形式,依據(jù)體型系數(shù)取值不同,將裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的風(fēng)荷載計(jì)算分三部分,保證了設(shè)計(jì)的合理性。