焚燒爐鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析及溫差應(yīng)力研究

王子興，楊美娥

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的危險廢液及廢氣。目前，焚燒法是處理這些工業(yè)廢物最有效的手段。常用的焚燒技術(shù)有噴注式焚燒技術(shù)，回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)和流化床焚燒技術(shù)等[1]。焚燒爐作為焚燒技術(shù)的主要載體，將危險的廢液及廢氣通過高溫燃燒轉(zhuǎn)化為無害的氣體，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行排放。因此，焚燒爐的平穩(wěn)運(yùn)行對環(huán)境具有重要的影響。作為焚燒爐重要的支撐部件，立柱、環(huán)梁、壁板等共同組成鋼結(jié)構(gòu)體系，將焚燒爐圍成一個穩(wěn)定的立體構(gòu)架。鋼結(jié)構(gòu)一旦失效將導(dǎo)致焚燒爐的整體性破壞，所以鋼結(jié)構(gòu)的安全是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

有限元法是工程數(shù)值分析中的常用方法，在鋼結(jié)構(gòu)分析軟件中，STAAD.Pro不但可以解決任意構(gòu)件的靜力分析和動態(tài)分析，而且可在構(gòu)件的任意部位施加集中荷載、分布荷載、管道載荷、溫度荷載等，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究中具有廣泛的應(yīng)用[2-3]。T Subramani[4]應(yīng)用STAAD.Pro軟件建立參數(shù)化模型對工業(yè)鋼煙囪進(jìn)行抗震分析與設(shè)計。Manoj Nallanathel[5]研究了各種形狀的儲水罐鋼結(jié)構(gòu)，并使用STAAD.Pro對形狀系數(shù)、載荷及構(gòu)件應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析。國內(nèi)，賈徐晨[6]采用STAAD.Pro對鍋爐鋼架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的整體靜力計算并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。厲亞寧[7]根據(jù)制氫轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)特點，重點分析了壁板對鋼結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響?？梢?，學(xué)者們對溫差荷載給鋼結(jié)構(gòu)和壁板的研究很少。

焚燒爐作為一種高溫運(yùn)行設(shè)備，爐膛內(nèi)有火焰加熱，其內(nèi)部燃燒溫度大多在1 000 ℃以上。設(shè)備經(jīng)過一段時間的運(yùn)行會有耐火襯里脫落和局部高溫現(xiàn)場的發(fā)生，構(gòu)件因此而產(chǎn)生強(qiáng)度失效或過度變形喪失承載能力。若監(jiān)控不到位或未及時發(fā)現(xiàn)隱患，將導(dǎo)致焚燒爐的失效破壞。因此在焚燒爐的設(shè)計計算時，需考慮不同溫度荷載對設(shè)備的影響。本文以某焚燒爐為例，采用STAAD.Pro軟件按實際工程結(jié)構(gòu)型式和尺寸建立焚燒爐鋼結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，進(jìn)行靜力性能分析，結(jié)合不同熱負(fù)荷工況，重點討論溫差荷載對焚燒爐鋼結(jié)構(gòu)及壁板的力學(xué)性能影響。

1 焚燒爐模型

1.1 焚燒爐結(jié)構(gòu)

該焚燒爐采用噴注式燃燒技術(shù)，以焦?fàn)t氣為主要燃料，燃燒設(shè)計溫度1 200 ℃，將某LNG項目產(chǎn)生的廢液及廢氣進(jìn)行燃燒，并回收部分熱量副產(chǎn)蒸汽。處理能力為廢液1 600 kg/h，廢氣32 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。焚燒爐主要分為燃燒室和出風(fēng)室兩個腔室，燃燒器位于頂部，其鋼結(jié)構(gòu)由立柱、橫梁、爐壁板、檢修平臺、附屬配件等幾部分組成。燃燒室型鋼中心直徑4 700 mm，總高度16 m。爐體由6根槽鋼立柱圍成，爐體中心設(shè)有中心柱，爐體6根立柱與中心柱均與混凝土基礎(chǔ)錨固連接，基礎(chǔ)高度+500 mm。燃燒室殼體壁厚δ=8 mm，材料選用Q345。燃燒室頂部設(shè)有孔洞Φ600 mm用于安裝燃燒器，孔洞周圍用20#角鋼進(jìn)行加強(qiáng)。并且燃燒室在EL+3.0 m，EL+6.5 m，EL+10.0 m，EL+14.5 m處設(shè)有檢維修平臺，各層平臺由鋼梯連接。焚燒爐出風(fēng)室中心位于燃燒室EL+4.2 m處，由角鋼環(huán)梁型鋼圍成圓形，型鋼中心直徑4 700 mm。出風(fēng)室殼體壁厚δ=8 mm，材料選用Q345R。焚燒爐出風(fēng)室出口端由鞍式支座進(jìn)行支撐。其主要結(jié)構(gòu)尺寸，如圖1所示。

圖1 焚燒爐主要結(jié)構(gòu)尺寸圖

作為焚燒爐重要的支撐部件，爐體立柱、環(huán)梁、和爐壁鋼板等結(jié)構(gòu)共同組成加強(qiáng)體系，將焚燒爐燃燒室和出風(fēng)室連接在一起組成一個穩(wěn)定的立體構(gòu)架，在各種荷載的作用下將水平力傳給立柱，再由立柱傳至基礎(chǔ)。本焚燒爐鋼結(jié)構(gòu)所用主要構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

表1 焚燒爐主要構(gòu)件參數(shù)

焚燒爐共有3種熱負(fù)荷工況即2種基本燃燒工況和1種事故工況?；救紵r分別對應(yīng)的金屬設(shè)計溫度為100 ℃和150 ℃，事故工況時設(shè)計金屬溫度將會達(dá)到200 ℃。燃燒室和出風(fēng)室根據(jù)內(nèi)部燃燒溫度場情況設(shè)有不同厚度的耐火襯里。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定[8]，當(dāng)設(shè)計金屬溫度大于100 ℃鋼材及焊縫在溫度作用的強(qiáng)度設(shè)計值應(yīng)乘以相應(yīng)的溫度折減系數(shù)γs，鋼材在150 ℃和200 ℃時的溫度折減系數(shù)分別為0.92和0.88。焚燒爐爐體鋼結(jié)構(gòu)材料為Q235B，壁板材料為Q345，則兩種鋼材在不同溫度下的各項設(shè)計用強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

表2 鋼材在溫度作用下的強(qiáng)度指標(biāo) MPa

1.2 數(shù)值模型

采用STAAD.Pro軟件對焚燒爐燃燒室和出風(fēng)室按實際比例進(jìn)行建模。根據(jù)概念設(shè)計理念，檢修平臺、耐火襯里、頂部燃燒器等附件按照荷載的形式在數(shù)值模型中體現(xiàn)。將作用在鋼結(jié)構(gòu)上的各種荷載等效離散化為節(jié)點力，采用集中或分布力的方式加載到焚燒爐的相關(guān)節(jié)點、立柱以及圈梁上。數(shù)值計算模型包括爐體立柱、爐頂支撐柱、爐頂環(huán)梁、燃燒室圈梁、出風(fēng)室環(huán)梁、壁板組成。其中，爐體立柱、爐頂支撐柱和出風(fēng)室環(huán)梁等型鋼腹板方向分別對準(zhǔn)焚燒爐燃燒室中心和出風(fēng)室中心。出風(fēng)室出口位于x軸正向，高度與實際位置一致。根據(jù)STAAD.Pro軟件對板單元的處理方式，計算模型板單元設(shè)置大小為0.25 m×0.25 m，按此網(wǎng)格大小劃分的板單元可保證計算精度并能夠反映殼體壁板的真實受力情況。以x軸和z軸正向象限的爐底柱編號為1#，其他燃燒室立柱編號依次按順時針進(jìn)行排序。焚燒爐數(shù)值計算模型中梁單元共430個，板單元共639個，如圖2所示。

圖2 焚燒爐數(shù)值計算模型圖

2 載荷與工況組合

2.1 荷載選取

根據(jù)實體受力情況，焚燒爐的基本荷載工況主要有以下5種，分別是恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載以及溫差荷載。因爐體表面設(shè)計溫度80 ℃，不易積雪，故不考慮雪荷載的作用。

(1)恒荷載：考慮到與實際受力情況一致，恒載荷主要包括兩個部分，一是已建構(gòu)件的質(zhì)量，由程序自動計算并作用在對應(yīng)的結(jié)構(gòu)中；二是未建模構(gòu)件引起的重力載荷，包括焚燒爐頂部燃燒器、檢修平臺、耐火材料襯里以及配件等。其中，頂部燃燒器當(dāng)量荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取燃燒器質(zhì)量的1.5倍；檢修平臺載荷采用靜力等效的原則施加到相對應(yīng)的節(jié)點和梁柱上；耐火材料襯里的質(zhì)量以密度的形式折合到相關(guān)的板單元中進(jìn)行計算。

(2)活荷載：主要為檢修與操作平臺活載荷，需要堆放較重器材，因此荷載標(biāo)準(zhǔn)值取3.5 kN/m2。

(3)風(fēng)荷載：參考GB/T50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》的方法[9]，分段計算隔斷所受風(fēng)載荷，將核算出的載荷加載到焚燒爐的板單元上，設(shè)計基本風(fēng)壓為0.50 kN/m2，地面粗糙度為A類，且假設(shè)焚燒爐為完全封閉表面。根據(jù)焚燒爐所在地歷年主導(dǎo)風(fēng)向，分別在圖1所示坐標(biāo)系中x軸和z軸正方向進(jìn)行施加。

(4)地震荷載：焚燒爐的地震載荷分別考慮x軸和z軸兩個方向，在計算地震載荷作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)時，需要將100%恒載荷及50%的活載荷轉(zhuǎn)化為重力載荷施加在鋼結(jié)構(gòu)和板單元進(jìn)行計算。地震作用代表參數(shù)分別為：地震抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計地震基本加速度0.2 g；設(shè)計地震分組為第1組；場地土類別為2類，特征周期0.40 s。

(5)溫差荷載：即板單元從一面到另一面的溫度差。根據(jù)焚燒爐的3種熱負(fù)荷工況，當(dāng)金屬設(shè)計溫度為100、150、200 ℃，環(huán)境溫度取40 ℃時，分別對應(yīng)焚燒爐壁板內(nèi)外的溫差荷載為60、110、160 ℃。

2.2 荷載組合與邊界條件

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50009—2011《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》考慮主要的荷載組合共有7種，經(jīng)篩選共有2種最為不利的工況組合，如表2所示的工況1和工況2。組合工況3～工況5分別對應(yīng)1.2恒荷載+1.0活荷載+3種不同溫差荷載的情況。

焚燒爐燃燒室爐體立柱與基礎(chǔ)相連因此設(shè)為固定支座，爐出風(fēng)口室端部設(shè)有膨脹節(jié)，因此數(shù)值模型中x軸向端部橫梁設(shè)定為絞支支點。溫度載荷施加在數(shù)值計算模型得板單元上，分別設(shè)定表面溫差為60°、110°、160°對應(yīng)工況組合為工況2、工況3和工況4。圖3所示為工況4時焚燒爐的結(jié)構(gòu)荷載及邊界條件模型圖。

圖3 組合工況4時荷載及邊界設(shè)定

焚燒爐經(jīng)建模、材料屬性確定、荷載選取、邊界條件設(shè)定后，進(jìn)行計算結(jié)果分析與評定。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 鋼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

靜力檢驗結(jié)果顯示，焚燒爐在基本荷載作用下的荷載值與反力值之差為0，證明荷載與邊界條件設(shè)定合理。表3為組合工況1和組合工況2作用下的1#～6#支座反力計算值，由表3可知，鋼結(jié)構(gòu)在1.2恒荷載+1.0活荷載+0.3z軸風(fēng)荷載+1.3x軸地震荷載作用下，水平力Fx均為負(fù)值，豎向支座反力Fy中1#～3#和6#立柱均為正值，承受不同程度的上拔力，4#、5#立柱均為負(fù)值，F(xiàn)xmin=-799.17 kN，F(xiàn)xmax=703.75 kN。彎矩Mz均為正值，最大值為Mzmax=10.83 kN·m；在1.2恒荷載+0.6活荷載+0.3x軸風(fēng)荷載+1.3z軸地震荷載作用下，1#～3#立柱水平力Fx均為負(fù)值，而4#～6#立柱水平力Fx均為正值。豎向支座反力Fy中最大值位于5#立柱，F(xiàn)ymax=500.56 kN，F(xiàn)ymin=-618 kN，1#～3#立柱彎矩Mz均為正值，而4#～6#立柱彎矩Mz均為負(fù)值，Mzmax=-24.87 kN·m。因兩種組合工況鋼結(jié)構(gòu)立柱均出現(xiàn)不同程度的上拔力，故在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時還需對地錨螺栓進(jìn)行校核。

表3 焚燒爐計算荷載組合表

表4 1#～6#支座反力計算表

焚燒爐鋼結(jié)構(gòu)所有梁單元應(yīng)力如圖4所示。圖4中，梁單元截面受應(yīng)力及拉應(yīng)力的共同作用。最大軸力大小值為7.5 kN，位于1#和6#立柱最底端，標(biāo)高EL+0.6 m處。工況1因受到z軸正方向的風(fēng)載荷和x軸正方向的地震載荷的作用，1#～3#立柱主要承受壓應(yīng)力，而4#～6#立柱承受拉應(yīng)力。而且立柱上的應(yīng)力值從上到下呈線性分布，最底端的應(yīng)力值最大。除對整個鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析核算外，還需對構(gòu)件截面進(jìn)行驗算。即檢驗構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及長細(xì)比等參數(shù)是否滿足規(guī)范中的要求。通過SSDD對所有構(gòu)件截面進(jìn)行驗算，應(yīng)力比均小于1，說明焚燒爐的鋼結(jié)構(gòu)安全，無危險構(gòu)件。

圖4 組合工況1時梁單元應(yīng)力圖

3.2 變形情況

由于在數(shù)值模型中考慮了板單元，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到了增強(qiáng)[2]。經(jīng)計算，焚燒爐在組合工況1∶1.2恒荷載+1.0活荷載+0.3風(fēng)荷載(z軸)+1.3地震荷載(x軸)時所有節(jié)點產(chǎn)生的相對位移最大。最大節(jié)點位移位于2#立柱頂部節(jié)點處，最大位移值為19.13 mm，僅為2#立柱全長的1/784。根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)要求，框架頂端允許側(cè)移值應(yīng)小于柱全長的1/500，計算結(jié)果符合規(guī)定要求值。另外，在節(jié)點位移統(tǒng)計表中發(fā)現(xiàn)焚燒爐燃燒室頂部孔洞環(huán)梁x軸負(fù)方向存在較大位移值，位移值為12.18 mm。工況1作用下，頂部孔洞環(huán)梁受頂部燃燒器集中荷載和耐火襯里均布力的共同作用進(jìn)而產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，為平衡變形協(xié)調(diào)需要，此處產(chǎn)生了較大的位移值。頂部孔洞環(huán)梁承托燃燒器等附件，因而必須有足夠的儲備剛度，設(shè)計時可考慮增大該處鋼構(gòu)環(huán)梁大小以加強(qiáng)剛度提高抗形變能力。

3.3 溫差應(yīng)力分析

STAAD.PRo軟件將每塊板單元的應(yīng)力計算結(jié)果作為一個平均值，顯示在板單元中心位置處，其他位置的應(yīng)力值與其周圍的板單元平均應(yīng)力值做線性分布。圖5～圖7分別為焚燒爐板單元在組合工況3～5的最大Von Miss應(yīng)力分布云圖，即焚燒爐承受1.2恒荷載+1.0活荷載+不同溫差荷載作用下的計算結(jié)果。從圖5～圖7可知，焚燒爐在第3種～第5種組合工況下，整體應(yīng)力強(qiáng)度分布規(guī)律一致，板單元應(yīng)力強(qiáng)度較大部位主要集中于檢修平臺EL+3.4 m、EL+6.5 m、EL+10 m、EL+14.5 m附近和燃燒室與出風(fēng)室相貫線附近區(qū)域，其余區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度分布較均勻；應(yīng)力強(qiáng)度最小點位于燃燒室底部及出風(fēng)室出口端部。因燃燒室在EL+4.2 m處設(shè)有出風(fēng)室，其受力特點與三通結(jié)構(gòu)相同，出風(fēng)室的大開孔對燃燒室筒體結(jié)構(gòu)有削弱效果，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于燒爐燃燒室與出風(fēng)口室相貫線附近，最大值點位于相貫線頂點。應(yīng)力云圖顯示，應(yīng)力強(qiáng)度沿板單元從相貫線中心向兩側(cè)呈階梯狀分布并逐漸減小。說明此處在荷載和溫差應(yīng)力作用下，為平衡變形協(xié)調(diào)和溫差，孔邊存在很大的彎曲應(yīng)力和壓應(yīng)力。檢修平臺的上下板單元因受到平臺重量所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和集中荷載，應(yīng)力強(qiáng)度較大。

圖5 組合工況3時板單元應(yīng)力云圖

圖6 合工況4時板單元應(yīng)力云圖

圖7 組合工況5時板單元應(yīng)力云圖

圖5所示為焚燒爐在1.2恒荷載+1.0活荷載+60 ℃溫差荷載作用下的板單元應(yīng)力分布云圖。從圖5可知，組合工況3時焚燒爐燃燒室大部分板單元應(yīng)力強(qiáng)度在94.3～103 MPa，相貫線頂點處的最大應(yīng)力強(qiáng)度值為σ100 ℃=136 MPa。根據(jù)表1進(jìn)行判定，其爐體壁板所用材料為Q345，在100 ℃時的強(qiáng)度設(shè)計值為[σ100 ℃]=305 MPa，即σ100 ℃<[σ100 ℃]，判定合格。當(dāng)焚燒爐在1.2恒荷載+1.0活荷載+110 ℃溫差荷載作用時燃燒室和出風(fēng)室板單元的應(yīng)力強(qiáng)度隨溫差荷載的增加而增大，其燃燒室的大部分應(yīng)力強(qiáng)度將升高至186～200 MPa，最大應(yīng)力強(qiáng)度值升高至σ150 ℃=229 MPa。同樣，根據(jù)表1進(jìn)行判定，σ150 ℃<[σ150 ℃]=280.6 MPa，判定合格。當(dāng)溫差荷載升高至160 ℃時，板單元的大部分應(yīng)力強(qiáng)度繼續(xù)升高，應(yīng)力強(qiáng)度值在269～290 MPa，最大應(yīng)力強(qiáng)度值達(dá)到σ200 ℃=331 MPa，根據(jù)表1進(jìn)行判定，σ200 ℃>[σ200 ℃]=268.4 MPa，判定不合格。

綜上所述，焚燒爐壁板在組合工況3和組合工況4作用下，最大應(yīng)力強(qiáng)度小于材料的在對應(yīng)溫度下的強(qiáng)度設(shè)計值，說明焚燒爐在這兩種組合工況下運(yùn)行安全。但當(dāng)溫差荷載達(dá)160 ℃時，最大應(yīng)力強(qiáng)度值大于材料在該溫度下的強(qiáng)度設(shè)計值，即焚燒爐在此工況下運(yùn)行，板單元會因強(qiáng)度不能承載而失效。根據(jù)以上數(shù)值分析結(jié)果，焚燒爐在運(yùn)行時應(yīng)嚴(yán)格控制燃燒室內(nèi)燃燒溫度，防止在事故工況下長時間超溫運(yùn)行。并在設(shè)計建造過程中，對燃燒室與出風(fēng)口室的相貫線處應(yīng)做加強(qiáng)處理，以保證開孔削弱后的截面強(qiáng)度能滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 論

(1)采用STAAD.Pro軟件對焚燒爐燃燒室和出風(fēng)室按實際比例進(jìn)行數(shù)值建模。靜力檢驗結(jié)果顯示，焚燒爐5種基本荷載下的荷載值與反力值之差均為0。并通過SSDD對所有構(gòu)件截面進(jìn)行驗算，應(yīng)力比均小于1，說明焚燒爐的鋼結(jié)構(gòu)安全，無危險構(gòu)件。

(2)立柱、圈梁、和爐殼壁板將焚燒爐燃燒室和出風(fēng)室連接在一起組成一個穩(wěn)定的立體構(gòu)架。焚燒爐在組合工況3～組合工況5作用下，設(shè)備整體應(yīng)力強(qiáng)度分布均勻，應(yīng)力強(qiáng)度較大區(qū)域在燃燒室和出風(fēng)室相貫線左右以及檢修平臺圈梁附近，最大值點均位于相貫線頂點。

(3)溫度荷載是影響鋼結(jié)構(gòu)和板單元的重要因素。數(shù)值計算表明，當(dāng)焚燒爐殼體溫差荷載在60 ℃和110 ℃運(yùn)行時，板單元應(yīng)力計算值均小于材料的強(qiáng)度設(shè)計值；當(dāng)殼體溫差荷載達(dá)到160 ℃后，板單元應(yīng)力強(qiáng)度值超過標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值?，F(xiàn)場操作時，應(yīng)嚴(yán)格控制焚燒爐殼體溫度差，加強(qiáng)監(jiān)控手段，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。