乙烯裂解爐爐體鋼結(jié)構設計初探

夏紅文

中國寰球工程公司 北京 100029

1 概述

在乙烯裝置的結(jié)構設計中，裂解爐爐體支撐結(jié)構屬重大設備裝備鋼結(jié)構設計，該結(jié)構布局緊湊，承載著裂解輻射爐管、對流爐管、SLE設備、急冷汽包、爐頂風機和煙囪以及十余層操作平臺，結(jié)構受力工況極其復雜，所以保證爐體鋼結(jié)構在復雜工況下的安全運行是結(jié)構專業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

新疆獨山子1000 kt/a乙烯裝置包括8臺150 kt/a裂解爐，是目前國內(nèi)單臺裂解能力最大的裂解爐，初步設計由德國LINDE公司承擔，但該結(jié)構設計面臨著如何將美國UBC規(guī)范的系數(shù)轉(zhuǎn)換為中國規(guī)范的取值，對中國規(guī)范不了解，不能按國標進行設計檢驗，需考慮如何采用中國規(guī)范驗算錯綜復雜的桿件。針對上述難題，結(jié)構設計人員首先研究規(guī)范內(nèi)容，由于外方在計算中還使用了德國DIN標準，通過與外方溝通后，對各項荷載逐一對比，按照中國規(guī)范整理輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)裂解爐爐體結(jié)構初步設計圖紙用PDS軟件建模，將模型導入通用計算軟件ANSYS程序，研究工藝的各種操作工況和建筑結(jié)構的地震和風載等參數(shù)進行加載，用求解器計算；然后分析各種后處理結(jié)果，研究爐體結(jié)構在各種不利工況組合下的結(jié)構安全，將計算結(jié)果與原設計的結(jié)果進行比較分析；最后修改設計圖紙?zhí)峤皇┕D。按照以上程序方法，設計人員攻克了PDS數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)接口、地震反應譜加載、結(jié)構的動力響應、彈塑性分析和爐頂風機平臺動力分析等難題。

2 設計

2.1 PDS數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)接口

對于復雜的鋼結(jié)構建模一般采用PDS軟件，但用PDS軟件建立的模型數(shù)據(jù)輸出導入ANSYS數(shù)據(jù)求解計算不能直接進行，為此，設計人員詳細研究PDS輸出的數(shù)據(jù)格式，在ANSYS軟件中用命令流編制了專門的程序，經(jīng)過反復修改試驗，成功地將裂解爐結(jié)構模型PDS數(shù)據(jù)導入到ANSYS程序，并對結(jié)構進行有限元單元劃定，采用梁、板混合單元進行計算。

2.2 地震反應譜加載和結(jié)構的動力響應

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011-2001、《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223-2004、《石油化工企業(yè)建筑抗震設防等級分類標準》SH 3049-93、《石油化工企業(yè)構筑物抗震設防分類標準》SH 3069-95等規(guī)定，裂解爐爐體結(jié)構抗震等級為乙類，構造應按當?shù)卦O防提高1度設計。

地震反應譜按《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011-2001曲線輸入，地震強度8級，設計地震分組第二組，場地類別II，采用SRSS振型組合反應譜分析法，計算水平地震作用對結(jié)構的影響。反應譜曲線定義如下：0，0.072；0.1，0.16； 0.4，0.16；1.2，0.0595；1.95，0.0385； 2.75，0.0352；3.6，0.0325；4.4，0.0299；5.15，0.0275；6， 0.0248。

通過計算，第1、2振型為平動，第5振為扭轉(zhuǎn)振型。結(jié)構的振動周期為0.55s。結(jié)構的前6個振型見圖1。

圖1 爐整體結(jié)構振型圖

2.3 彈塑性分析

2.3.1 結(jié)構計算荷載組合原則

恒載初值 Primary 1 DL (DEAD LOAD)

活載初值 Primary 2 LL (LIVE LOAD)

風載初值 Primary 3 WL (WIND LOAD，左風)

風載初值 Primary 4 WR (WIND LOAD，右風)

風載初值 Primary 5 WF (WIND LOAD，前風)

風載初值 Primary 6 WB (WIND LOAD，后風)

地震初值Primary 7 EX (SPECTRUM IN X-DIRECTION，X方向)

地震初值Primary 8 EZ (SPECTRUM IN Z-DIRECTION， Z方向)

組合 Combination 9 DL+LL

組合 Combination 10 DL+LL+WL

組合 Combination 11 DL+LL+WR

組合 Combination 12 DL+LL+WF

組合 Combination 13 DL+LL+WB

組合 Combination 14 DL+LL+WL

組合 Combination 15 DL+LL+WR

組合 Combination 16 DL+LL+WF

組合 Combination 17 DL+LL+WB

組合 Combination 18 DL+LL+EX

組合 Combination 19 DL+LL-EX

組合 Combination 20 DL+LL+EZ

組合 Combination 21 DL+LL-EZ

2.3.2 計算結(jié)果分析及彈塑性設計

通過計算原則和上述方法驗算專利商的結(jié)構得出結(jié)論，發(fā)現(xiàn)專利商的結(jié)構設計存在兩個問題：①Z型轉(zhuǎn)換桁架強度和穩(wěn)定性不足；②角柱根處強度和穩(wěn)定性不足。為此，多次與專利商聯(lián)絡和討論，經(jīng)過對方重新計算，同意修改Z型轉(zhuǎn)換桁架設計，增加截面面積。對于角柱根處強度不足的問題，采用了國際上先進的塑性極限設計理論方法，對地震情況下的結(jié)構考慮局部出現(xiàn)塑性后的整體強度進行結(jié)構安全性驗算，同時也驗算了變形，滿足規(guī)范的要求。

2.4 爐頂風機平臺動力分析

針對國內(nèi)其他乙烯裝置裂解爐風機平臺震動過大影響裂解爐運行的實際問題，在獨山子乙烯裂解爐的鋼結(jié)構設計中非常重視爐頂風機平臺的防振動問題，采用SAP軟件對爐頂結(jié)構進行模態(tài)分析見圖2。

圖2 爐頂結(jié)構模態(tài)分析

使結(jié)構的振動控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。此外，還在風機支座處設置了減震器，通過項目投產(chǎn)后的風機運行情況驗證，風機運轉(zhuǎn)情況良好，振動較小。

3 結(jié)語

(1)本文初步探討裂解爐爐體鋼結(jié)構設計的基本假設與步驟，然而從幾何計算模型到設計圖紙，從下料加工到模塊安裝等許多的關鍵環(huán)節(jié)還需要一系列技術攻關，才能保證裂解爐整體的順利安裝及運行。

(2)近日，獨山子石化百萬噸乙烯裂解爐鋼結(jié)構工程獲得2008年度中國建筑鋼結(jié)構行業(yè)工程質(zhì)量的最高榮譽—中國建筑鋼結(jié)構優(yōu)質(zhì)工程“鋼結(jié)構金獎”，殊榮背后我們看到，裂解爐爐體鋼結(jié)構仍有很多設計與施工的課題有待進一步優(yōu)化和探討。