爐底中間柱在圓筒爐鋼結(jié)構(gòu)中的作用分析

王宇翔

（南京金凌石化工程設計有限公司，江蘇 南京210042）

管式加熱爐是石油煉制、 化學工業(yè)中使用的工藝加熱爐。其結(jié)構(gòu)一般由燃燒器、輻射室、對流室、通風系統(tǒng)及余熱回收系統(tǒng)五部分所組成[1]。傳統(tǒng)的加熱爐鋼結(jié)構(gòu)設計方法，常按經(jīng)驗設計或手工計算，計算效率偏低，設計裕量偏大。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)可利用Staad.Pro 等有限元軟件，對爐體鋼結(jié)構(gòu)進行建模分析，真實地反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

圓筒形管式加熱爐一般采用圓周排列的立柱支撐，當爐體直徑較大時，還設置爐底中間柱。 傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設計中常按經(jīng)驗法來決定是否設置爐底中間柱。 這種設計方法過于保守， 不僅增加不必要的計算，還浪費了鋼材。 而且對于小型加熱爐，爐底中間柱會占據(jù)燃燒器的空間，使燃燒器往外布置，增大爐體直徑及爐體鋼結(jié)構(gòu)，帶來很大的經(jīng)濟損失。

近幾年，國內(nèi)一些工程可研單位開始采用Staad.Pro 軟件，分析優(yōu)化加熱爐鋼結(jié)構(gòu)。 2009 年，文獻[2]采用Staad.Pro 軟件建立計算模型，并針對圓筒形加熱爐提出模型簡化方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。 2019 年，文獻[3]采用Staad 和SSDD 軟件對加熱爐結(jié)構(gòu)進行分析，根據(jù)分析結(jié)果改進爐體柱，節(jié)省了鋼材和制造成本。 2017 年，文獻[4]采用 Staad.Pro 軟件對 3 種加熱爐鋼結(jié)構(gòu)進行對比， 分析爐壁板對鋼結(jié)構(gòu)位移與應力的影響。 本文以某項目加熱爐為例，利用Staad.Pro 軟件， 分別按設置和不設置爐底中間柱兩種結(jié)構(gòu)，對加熱爐鋼結(jié)構(gòu)進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果分析對比兩種模型。

1 圓筒爐結(jié)構(gòu)設計條件

采用某煉油廠現(xiàn)有的一臺圓筒爐作為計算模型：爐型為輻射-對流圓筒爐，爐底立柱節(jié)圓直徑約9 m、爐底立柱高度3.3 m、爐底板距地面2.5 m、輻射段高度約15 m、對流段高度約11.5 m、煙囪高度約25.5 m，爐管采用吊架固定。 鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、壁板等總重約1 400 kN，爐襯總重約1 000 kN，輻射段爐管充水總重（含爐管）約780 kN，對流段爐管充水總重（含管板）約455 kN，平臺梯子總重約190 kN。 本設計采用的環(huán)境條件如下： 基本風壓0.4 kPa， 雪壓0.65 kPa，抗震設防烈度7 度，設計地震分組第一組，設計基本地震加速度0.10 g，場地土類別Ⅲ類，地面粗糙度B。 本圓筒爐結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 圓筒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 用Staad.Pro 建立模型

按1∶1 的比例在有限元分析軟件Staad.Pro 中建立圓筒爐模型。建立模型的具體步驟本文不再描述，建立完成的模型中包括爐底立柱、爐底中間柱、輻射段立柱、輻射圈梁、對流段立柱橫梁、對流段桁架及煙囪等。燃燒器、爐管、爐管支吊架、對流管板等以載荷的形式，附加在相應的鋼結(jié)構(gòu)上。通過修改板單元的密度（鋼板和爐襯的換算密度），使板單元的自重包括爐襯重量，免去單獨計算爐襯重量的麻煩。需要注意的是，爐底立柱、輻射段立柱的型鋼腹板方向?qū)薁t中心， 此處通過調(diào)整梁單元的Beta 角來實現(xiàn)。軟件最終建立的圓筒爐模型如圖2、圖3 所示。

圖2 圓筒爐模型簡圖

圖3 圓筒爐模型三維圖

模型建立后為其添加載荷工況， 分為基本載荷工況和組合載荷工況。 基本載荷工況包括鋼結(jié)構(gòu)自重、爐管等附件自重、平臺梯子自重、活載荷、風載荷和地震載荷等。其中風載荷和地震載荷可通過SSDD軟件中提供的一般載荷向?qū)Ыⅰ?組合載荷工況按照相關(guān)標準規(guī)范建立，參照GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中的相關(guān)內(nèi)容。

最后，通過對爐底中間柱的保留和刪除（模型中的其余參數(shù)無需修改），建立了兩種不同的結(jié)構(gòu)模型。

3 兩種模型位移對比分析

兩種模型建立后，除了爐底中間柱的區(qū)別，其余結(jié)構(gòu)、載荷等參數(shù)均相同。為了簡化計算結(jié)果，本文選取了幾處有代表性的節(jié)點位移進行對比分析； 并選取恒載荷、 風載荷、 地震載荷三種工況分別進行對比。需要說明的是：圓筒爐前后左右四個方向的風載荷區(qū)別不大，本文僅選取一個方向的風載荷（左風）進行分析；地震載荷X、Z 水平方向基本一致，本文僅選取X 方向地震載荷。 根據(jù)計算結(jié)果，兩種模型具體的位移數(shù)值如表1 所示。

表1 兩種模型位移對比分析

由結(jié)果可以看出，在水平地震載荷和水平風載荷的作用下，兩種模型的各處節(jié)點位移基本一致。而在垂直恒載荷的作用下， 爐底中心處的垂直位移差別較大：當有爐底中間柱時，底部中心垂直位移-0.164 mm，無爐底中間柱時垂直位移可達到-11.347mm。

更全面地對比爐底各節(jié)點的計算結(jié)果后， 可以發(fā)現(xiàn)有爐底中間柱的模型， 爐底橫梁和環(huán)梁的垂直位移量都明顯減小。

4 兩種模型靜力對比分析

與位移對比分析一樣， 選取恒載荷、 左風向載荷、X 方向地震載荷分別進行加熱爐鋼結(jié)構(gòu)靜力對比分析。為簡化計算結(jié)果，選取幾處有代表性的梁單元靜力計算結(jié)果進行比較。 兩種模型的靜力對比分析見表2。

根據(jù)靜力對比分析可見， 兩種模型的輻射段立柱受力基本一致； 爐底立柱在風載荷和地震載荷水平力作用下， 受力基本一致， 在恒載荷垂直力作用下，有微小差別。 有爐底中間柱時，爐底周圈立柱的垂直力略小，承受的偏心彎矩略?。徊⑶?，兩種模型的爐底橫梁受力差別較大，有爐底中間柱時，爐底橫梁彎矩-8.640 kN·m，無爐底中間柱時，橫梁彎矩達到-23.593 kN·m。

表2 兩種模型靜力對比分析

對比分析全爐各個梁單元的靜力后， 可以發(fā)現(xiàn)兩種模型爐底以上鋼結(jié)構(gòu)的受力基本相同， 僅爐底鋼結(jié)構(gòu)的受力存在較大差別。為此，本文按相同的比例輸出了兩種模型的爐底梁單元應力等值線圖，具體見圖4、圖 5。

圖4 梁單元應力等值線圖（有爐底中間柱時）

圖5 梁單元應力等值線圖（無爐底中間柱時）

根據(jù)圖4 和圖5 的對比分析顯示， 有爐底中間柱時，有效加強了爐底橫梁和環(huán)梁，大幅減小其剪力和彎矩；另外，略微減小爐底周圈立柱的垂直力和偏心彎矩。

5 結(jié)語

本文運用Staad.Pro 有限元分析軟件，分別按設置和不設置爐底中間柱， 對兩種圓筒爐鋼結(jié)構(gòu)進行對比，并分析爐底中間柱在圓筒爐鋼結(jié)構(gòu)中的作用：

（1）爐底中間柱對圓筒爐爐底鋼結(jié)構(gòu)有著明顯加強作用， 可大幅減小爐底橫梁和環(huán)梁的垂直位移和彎矩， 略微減小爐底周圈立柱的垂直力和偏心彎矩。 但對爐底以上鋼結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。

（2）利用Staad.Pro 對圓筒爐鋼結(jié)構(gòu)進行計算模擬，可得出爐底鋼結(jié)構(gòu)的位移、應力等計算結(jié)果，并按有關(guān)標準規(guī)范進行驗證。 為實際圓筒爐設計中是否需要設置爐底中間柱，提供數(shù)值依據(jù)和參考作用。