爐壁板對加熱爐爐體立柱的影響分析

皇甫文英，張穎虹

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京100166）

管式加熱爐是石油化工、石油煉制、化學(xué)工業(yè)中常使用的一種工藝加熱設(shè)備。 被加熱的介質(zhì)在管內(nèi)流動，且管內(nèi)為高溫高壓受力狀態(tài)，介質(zhì)也多有易燃易爆的特性，危害性大，且通常為連續(xù)工作狀態(tài)。 因此， 支撐這個設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性就尤其重要。加熱爐結(jié)構(gòu)一般至上而下依次為煙囪、對流段和輻射段， 主要承重結(jié)構(gòu)為輻射段中的爐體立柱和殼體。其中筒體柱除承受上端結(jié)構(gòu)的載荷，還需承受側(cè)向載荷的作用。 爐體立柱受力狀態(tài)多為壓彎構(gòu)件， 因此保證爐體立柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定對整個結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵的作用。

利用三維有限元分析軟件STAAD.Pro 建立加熱爐結(jié)構(gòu)的兩種模型，一種為帶壁板的結(jié)構(gòu)模型，另一種為不帶壁板的純框架模型。 通過計算得到加熱爐爐體立柱的應(yīng)力強(qiáng)度， 分析比較壁板對爐體立柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。

1 工程概述

本文以某項目圓筒型加熱爐為例進(jìn)行分析探討。 總高度為19.4 m，輻射段爐殼外直徑3.34 m，輻射段高度為9.36 m， 對流段尺寸為4.514 m×2.545 m×3.500 m，煙囪錐段高度為3.5 m，煙囪上端外殼直徑1.016 m，煙囪總高度為6.54 m。 加熱爐爐體設(shè)有4 根立柱，爐底柱與地基錨固連接，筒體柱與爐殼鋼板焊接，筒體柱端部與上、下環(huán)梁相連。 爐殼鋼板壁厚為5 mm，爐頂鋼板和爐底鋼板均為8 mm，圓筒爐殼設(shè)置兩根環(huán)梁。 整個結(jié)構(gòu)的鋼材均選擇Q235B。

2 模型介紹

根據(jù)設(shè)計圖對加熱爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化模擬。分別建立兩種模型分析，模型1 為帶壁板的分析模型（見圖1），模型2 為不帶壁板純框架的分析模型（見圖2）。

為了計算結(jié)構(gòu)的真實受力情況且便于施加載荷，將所有承載梁柱進(jìn)行建模。 對于煙囪的建模，如果采用板單元對煙囪進(jìn)行模擬會使得整個模型復(fù)雜且計算效率低下，且煙囪不是本次計算的主要內(nèi)容，因此用圓管和錐形管進(jìn)行模擬可以滿足計算要求。按照設(shè)計圖建立幾何模型，用BEAM 梁單元模擬梁柱，用PLATE 板單元模擬爐殼壁板，添加邊界約束條件，以及特殊受力構(gòu)件的約束釋放、桁架構(gòu)件、主從節(jié)點等，使計算模型符合力學(xué)假定，以保證計算的準(zhǔn)確性，最后將幾何模型中各單元賦予物理涵義，并將各載荷作用于各單元中進(jìn)行計算。

圖1 有壁板模型1 示意圖

圖2 純框架模型2 示意圖

3 載荷計算

3.1 載荷取值

加熱爐鋼結(jié)構(gòu)的載荷與作用主要分為以下四類：

（1）永久載荷：鋼結(jié)構(gòu)自重、耐火襯里重量、配件重、爐管及爐內(nèi)介質(zhì)重，按照實際情況取值；

（2）活載荷：主要為檢修及操作的平臺活載荷，載荷標(biāo)準(zhǔn)值可取2.5 kN/m2；

（3）風(fēng)載荷：按照SH/T 3070-2005《石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄B 的方法，分段計算各段所受風(fēng)載荷， 將核算出的載荷加載到各部分的單元處，基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B 類，按X和Z兩個方向分別考慮；

（4）地震載荷：地震作用按照X和Z兩個方向分別考慮， 計算地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)時， 需要將100%的永久載荷和50%的活載荷轉(zhuǎn)化為重力載荷代表值進(jìn)行計算。

地震作用參數(shù)為：抗震設(shè)防烈度8 度0.20 g；設(shè)計地震分組為第一組；場地土類別為II 類，特征周期0.40 s。

3.2 載荷組合

計算中考慮以下載荷組合：

組合工況1：恒載荷+活載荷

組合工況2：恒載荷+活載荷+X向風(fēng)載荷

組合工況3：恒載荷+活載荷+Z向風(fēng)載荷

組合工況4：恒載荷+X向地震載荷

組合工況5：恒載荷+Z向地震載荷。

4 結(jié)果分析

選擇兩種立柱進(jìn)行分析，一種為爐底柱，爐底柱上端與環(huán)梁連接，下端與地基錨接，爐底柱支撐整個爐體結(jié)構(gòu)，為立柱中受力最大的構(gòu)件；另一種為筒體柱，選取筒柱中最下端構(gòu)件分析，該構(gòu)件上、下端部均與環(huán)梁相連， 為輻射段通長范圍內(nèi)筒體柱受力最大的部分。 以X軸和Z軸正向象限中的爐底柱編號為1，其他爐底柱的編號依次按照逆時針進(jìn)行排序，以X軸和Z軸正向象限中的筒體柱編號為5， 其他筒體柱的編號依次按照逆時針進(jìn)行排序。

4.1 爐體立柱應(yīng)力分析

經(jīng)過計算， 在工況4 和工況5 組合載荷下爐底柱所受的應(yīng)力最大。在兩種模型下，最大應(yīng)力計算結(jié)果見表1，筒體柱的最大應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表1 爐底柱最大應(yīng)力值

表2 筒體柱最大應(yīng)力值

通過表1 和表2 中爐底柱和筒體柱應(yīng)力值分析可知，爐底柱既有壓應(yīng)力也有拉應(yīng)力，兩種不同的模型對爐底柱受力影響不大；而筒體柱僅有壓應(yīng)力，有壁板的筒體柱最大應(yīng)力比約為8%，純框架的筒體柱最大應(yīng)力比約為23%。 筒體柱在有壁板的模型中與爐殼相連，爐殼分擔(dān)了部分的結(jié)構(gòu)受力，因此筒體柱在有壁板的模型中受力較小。

4.2 爐體立柱穩(wěn)定性分析

兩種模型下，穩(wěn)定性計算的分析見表3、表4。

表3 爐底柱穩(wěn)定性強(qiáng)度 （N/mm2）

表4 筒體柱穩(wěn)定性強(qiáng)度 （N/mm2）

由表3 和表4 數(shù)據(jù)分析可知，兩種模型下，爐底柱穩(wěn)定性強(qiáng)度差別不大， 但筒體柱的穩(wěn)定性差別較大，且對平面內(nèi)穩(wěn)定性影響更大。 有壁板的模型中，平面內(nèi)穩(wěn)定性最大應(yīng)力比為8%，平面外穩(wěn)定性最大應(yīng)力比為12%；無壁板純框架模型中，平面內(nèi)穩(wěn)定性最大應(yīng)力比為79%，平面外穩(wěn)定性最大應(yīng)力為41%?？梢?，壁板對筒體柱平面內(nèi)的影響是非常大的。

5 結(jié)論

（1）有無壁板的分析模型對爐底柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均無影響。

（2）對筒體立柱，在無壁板純框架模型中不僅承受整個結(jié)構(gòu)的垂直載荷，且要承受側(cè)向載荷，因此筒體柱的應(yīng)力比都比較高；在有壁板的模型中，爐壁板與框架結(jié)構(gòu)一起受力，壁板分擔(dān)了一部分載荷，筒體柱的受力也相應(yīng)較小，同時，爐壁板對整個結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度起到了很大作用， 筒體柱的穩(wěn)定性也大幅度提高， 且對平面內(nèi)穩(wěn)定的提高作用大于對平面外穩(wěn)定的提高作用。