海上平臺(tái)自立式鋼制煙囪的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

程新宇，沈志恒，李爭(zhēng)，朱保慶

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

海上固定平臺(tái)中一般設(shè)置有大型發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組通常由透平發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，透平發(fā)動(dòng)機(jī)排出的煙氣通過(guò)排煙管道和鋼制煙囪排至平臺(tái)安全地點(diǎn)，煙氣溫度高達(dá)550℃。在工程設(shè)計(jì)中鋼制煙囪結(jié)構(gòu)一般分為塔架式、自立式、拉索式，對(duì)于高徑比小于20的鋼制煙囪可采用自立式結(jié)構(gòu)[1][2]。海上固定平臺(tái)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(cè)面開(kāi)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(jié)構(gòu)。側(cè)面接入煙道的鋼制煙囪，由于煙囪固定基礎(chǔ)遠(yuǎn)離煙道接入口，高溫?zé)煔鈱?duì)于鋼制煙囪的固定基礎(chǔ)熱影響較小。但對(duì)于本文提出的煙道連接方式和固定基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力是設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的煙囪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中未考慮溫度應(yīng)力對(duì)于鋼制煙囪的影響[1][2][5]，相關(guān)的參考文獻(xiàn)中很少涉及這一問(wèn)題。本文針對(duì)提出的一種新型的高溫鋼煙囪結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)有限元分析計(jì)算了鋼制煙囪的溫度分布以及在熱應(yīng)力和外部載荷作用下，鋼制煙囪新型結(jié)構(gòu)的安全可靠性能。

1 自立式鋼制煙囪設(shè)計(jì)方案

圖1為透平發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)尺寸如圖2所示，直徑3.3m，高12m。煙氣從壓縮機(jī)排煙口出來(lái)，經(jīng)膨脹節(jié)、變徑、消音器、天圓地方、煙囪內(nèi)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(shè)置內(nèi)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(nèi)筒與鋼制煙囪之間裝有陶瓷棉隔熱層，見(jiàn)圖3，可以使煙囪支撐基礎(chǔ)的溫度保持在環(huán)境溫度左右，這樣煙囪的基礎(chǔ)環(huán)可以采用焊接的方式生根于支撐平臺(tái)。內(nèi)筒與煙道連接，起到了疏導(dǎo)煙氣的作用，且和煙囪無(wú)直接的連接，因此不用考慮其強(qiáng)度計(jì)算。這里只計(jì)算分析煙囪本體。分析中需要考慮重力載荷、溫度載荷、風(fēng)載荷、地震載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。

圖3 隔熱層結(jié)構(gòu)

2 環(huán)境及載荷條件

風(fēng)速選取極端暴風(fēng)工況100年一遇的3秒最大風(fēng)速計(jì)算[4]。在風(fēng)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(yīng)力。在一般無(wú)風(fēng)載工況下，煙囪壁溫最高，材料許用應(yīng)力最小，也是一種需要考慮的危險(xiǎn)工況。海上固定平臺(tái)承受的地震加速度見(jiàn)表1。

表1 地震載荷

考慮煙囪溫度應(yīng)力和風(fēng)載的作用，計(jì)算工況需要考慮兩種極端工況，無(wú)風(fēng)工況和百年一遇的風(fēng)暴工況。針對(duì)最苛刻的環(huán)境條件，本文只討論風(fēng)暴工況下鋼制煙囪的分析計(jì)算。

3 鋼制煙囪的分析計(jì)算

3.1 鋼制煙囪受力計(jì)算

3.1.1 煙囪壁溫計(jì)算

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

3.1.2 風(fēng)載荷計(jì)算

將煙囪按標(biāo)高分為58.025-61.625m，61.625-69.5m共2段，受力簡(jiǎn)圖如圖4。

圖4 煙囪風(fēng)壓和彎矩簡(jiǎn)圖

基本風(fēng)壓ω0的計(jì)算：

ρ-距海面10m處標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；v0-距海面10m處極端風(fēng)暴3秒陣風(fēng)。

3.1.3 可以根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB 50051-2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)計(jì)算，在暴風(fēng)工況下鋼制煙囪的截面1載荷為22MPa，截面2載荷為13.3MPa，滿(mǎn)足100℃下材料的許用應(yīng)力。鋼制煙囪的穩(wěn)定性和橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.1.4 煙囪支撐板筋及基礎(chǔ)環(huán)的強(qiáng)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(shè)置自然對(duì)流系數(shù)99.4W/m2K，溫度分布計(jì)算結(jié)果如圖5所示，由計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)分析中，約束為基礎(chǔ)環(huán)固定，加載風(fēng)壓和重力載荷，最終的應(yīng)力分布如圖6所示。最大應(yīng)力為局部應(yīng)力224MPa。

圖6 應(yīng)力云圖

根據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中5.2.2條，最大應(yīng)力處為機(jī)械結(jié)構(gòu)不連續(xù)處機(jī)械載荷引起的二次應(yīng)力，小于3倍100℃許用應(yīng)力為519MPa，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

本文提出的新型大口徑高溫鋼制煙囪結(jié)構(gòu)形式，能夠更好地適應(yīng)海上固定平臺(tái)的空間布置需求。局部隔熱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了高溫?zé)煔鈱?duì)煙囪固定基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力影響。通過(guò)分析計(jì)算確保了自立式鋼制煙囪滿(mǎn)足高溫排煙、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、橫風(fēng)向風(fēng)振等設(shè)計(jì)要求。采用熱力耦合的有限元分析方法，計(jì)算了鋼制煙囪溫度梯度分布產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的受力影響。本文設(shè)計(jì)的自力式鋼制煙囪已成功應(yīng)用于海上平臺(tái)的工程實(shí)際，使用安全可靠，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性和可靠性。

◆參考文獻(xiàn)

[1] GB 50051-2013，煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)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(duì)鋼煙囪的影響分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2013，28(5)：27-29.