石化加热炉钢结构设计方法研究.pdf

工业炉 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 1 3 ， 3 4 3 1 2 P e t r o Che m i c a l Eq ui pme nt Te c hn ol o gy 石化加热炉钢 结构设计方法研究 王海 涛 ， 王佼姣 ， 施 刚 ， 厉亚宁 ， 蔡建 光 ， 孙 毅 1 ．中国石化工程建设有限公司， 北京 1 0 0 1 0 1 ；2 ． 清华大学土木工程系，北京 1 0 0 0 8 4 摘 要 针 对 目前 带壁板钢 结构传统设计 中不考虑壁板侧 向刚度从而导致经济性不佳的问题 ， 以某石化 行 业加热 炉钢 结构 为工程背景 ， 提 出了考虑壁板作 用的加热炉钢 结构设 计方 法。讨论 了壁 板与周 围构件 的 连接 方式 、 壁板加 劲肋的合 理布置和 构造措施 、 框架柱计算长度 系数 的取值 方法等 关键设计 问题 。结果显示 应 力比控制在 0 ． 8 5以 内 框架柱 O ． 7 5 时， 新设 计方法与传统设计 方法相 比， 结构用钢 量可以节省 2 O 。 关键词 加热炉 设计方法 带壁板 钢结构 框 架柱计 算长度 系数加劲肋 加热炉是将物料加热 的设备 ， 应用遍布 于石 油 、 化工 、 机械、 冶金等诸多行业。在石化行业 ， 加 热炉内炉管排布、 燃烧器布置 、 进出口管线等形式 复杂， 且长期处于高温环境下 ， 其结构设计的安全 可靠尤为重要。对于加热炉结构 的设计 ， 国内大 多数企业完全采用传统设计方法 ， 即按照常用 的 理 论和 经验公 式 确 定 结构 设 计 的 参数 ， 由于缺 乏 现代设计手段， 传统设计过于保守 ， 效率低下 。对 于加热炉结构进行设计方法研究 ， 改进其工程设 计 ， 有利于提高石化行业 的结构设计效率 ， 降低设 计 成本 。 一 些科研单位对加热炉结构的设计和优化方 法进行 了研究 。刘斌等人n 以 An s y s软件为基 础 ， 采用 VB语 言 编写 了可视 化程 序 ， 开发 了加 热 炉结构设计平 台， 可实现典型加热炉设计参数 的 修 改 。王 晓波“ 以 VB为开 发 工 具 ， Ac c e s s 作 为 数 据支持 进行 了加 热 炉 钢结 构 的 设计 平 台开 发 ， 实现了结构的强度、 稳定性校核 以及 自振周期 的 计算 。赵曜 等人针对加热炉结构二维设计过程 难 以表达 空 间结构 的 问题 ， 依 照模块 化设 计思 想 ， 开 发 了交 互 式绘 图程 序 ， 实 现 了 三 维化 设 计 。张 立杰等人 采用数 学中的一维搜索法 ， 以结构总 重量为 目标函数 ， 实现了基 于离散变量算法 的结 构优化设计。厉亚宁 对某制氢转化炉钢结构进 行 了壁板 对钢 结 构 内力 和 变 形 的影 响分 析 ， 建 议 在炉 子钢 结构 设计 中计人 壁板 的作 用 。 石化行业 中方形加热炉钢结构一般设计为带 有表面钢板 的框架结构 ， 我 国工程建设 中按纯框 架考虑， 壁板只作为围护结构 ， 其受力作用一直没 被利用 ， 这不但不能真实地反映结构的受力性能， 在 经济 上也 是很 大 的损 失 。 。石 化 行 业 某 加 热 炉钢结构工程外型巨大 ， 如果还是采用传统的框 架 分析模 型 和设计 方法 ， 必 定 会 造 成梁 柱 截 面 过 大 、 结构 整体 外型 硕大 的问题 ， 影 响使用 空间且 使 得工程建设成本 大大增 加。本文考虑 了壁板 作 用 ， 对该工程加热炉整体结构进行了设计分析 ， 研 究 了 带 壁 板 的 加 热 炉 钢 框 架 的 一 些 关 键 设 计 问题 。 l 工程 背景 石化行业某加热炉为一台箱式立管加热炉， 单辐射室 ， 单对流室 ， 炉子本身具有跨度大、 无 中 间立柱等特点 。框架的长 、 宽 、 高为 2 8 8 7 6 mm 1 5 3 2 0 mm3 2 6 7 0 mm。短 跨 方 向 主 柱 4根 ， 长跨方向主柱 6根。距框架柱底 1 ． 6 m处 以上设 有钢壁板 ， 厚度为 5 mm， 炉顶板和底板分别为 8 ， 1 6 mi l l 。加热炉竖 向除顶部 烟囱外分为辐 射段 标高 为 1 ． 6 ～ 1 7 ． 9 7 m 、 辐 射 转对 流 段 标 高 为 1 7 ． 9 7 ～2 3 ． 3 7 m 、 对 流段 标 高 为 2 3 ． 3 7 ～ 3 2 ． 6 7 m 三 个 部 分 ， 如 图 1所 示 。整 个 结 构 钢 材 均 为 Q2 3 5 。 2模型 说 明 2 ． 1 模 型概 况 本工程主体结构为带壁板 的钢框架结构 ， 在 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 5 。 作者简介 王海涛 ， 男 ， 2 0 0 6年 毕业 于哈尔 滨工业 大学 结构 工程专业 ， 获硕士学位 ， 现在工 业炉室从 事炼油 加热炉设 计 工作， 工程师 。 E ma i l wa n g h a i t a o s e i ． C O ll 1 ． c n 石油化工设备技术 算时板厚 比实际减小 0 ． 5 mm， 偏于安全 。 框架梁 连接角钢 竖向加劲肋 壁板 a 壁饭 与框架梁连接 横向加劲肋 壁板 框 架 柱 h 壁板与框架柱连接 图 4壁板与框架的连接示意 结构壁板 的衬里 自重 的处理 ， 将其折算增加 到钢 板密 度 中 。 结构 底部 柱子 2 4根 固接 于地 面 。 根据抗震规范 ， 计算地震作用下结构 的反 应时， 除结构本身质量外 ， 需将 1 ． 0倍恒载和 0 ． 5 倍 活载转 化 为质量 。 经试 算 ， 振 型数 量取 为 5 0 0时 ， 两个水 平方 向 振型参 与 质量 系数 均大 于规 范要求 的 9 0 。 Mi d a s 模型中， 除竖向圆管支撑考虑到两端 构造设为桁架单元 、 水平支撑按柔性支撑考虑设 为只受拉桁架单元外， 其余杆件全部为梁单元 ， 钢 板全 部为 板单 元 。 3框架 柱计 算长 度 系数 处理 对 于 钢结构 ， 设计 复核 时 除验算 整体 内力 、 变 形外 ， 还需进行构件截面的验算 ， 即计算构件的强 度、 稳定性 、 长细 比等是否满足规范耍求。Mi d a s 软件中“ 设计” 菜单下“ 钢构件截面验算” 一项 即可 验算构件截面。稳定性验算是框架梁柱截面验算 中的重要部分 。梁柱计算长度 的大小 ， 对稳定性 验 算起 着关 键 作 用 。G B 5 0 0 1 7 --2 0 0 3 4 钢 结 构设 计规范 D 规定 对于框架梁 ， 计算长度取为受压 翼缘侧向支承点间的距离 ； 对于框架柱， 平面内计 算长度等于柱高乘以计算长度系数。计算长度系 数跟梁柱线刚度 比相关， 并按无支撑框架 、 强支撑 框架和弱支撑框架三种取值。 在 Mi d a s 分析中， 杆件稳定性验算时 的计算 长度系数若未指定 ， 则 由软件 自动识别梁柱后计 算。通过试算发现， 由于本结构 中， 梁的布置比较 规则简单 ， 侧 向支撑点易识别， Mi d a s中梁的计算 长度可靠 。而对框架柱， 软件 自动计算得 到的计 算长度系数并不可靠。例如本结构 中辐射段框架 柱 ， 由于柱上连接有壁板上的加劲肋 ， 软件会将加 劲肋当做梁构件 ， 计算其计算长度系数 。 为准确验算框架柱的稳定性 ， 避免上述错误， 作者按照规范手动计算每根柱子 的计 算长度系 数 ， 再输入软件中。 初步计算发现 ， 由于考虑了壁板作用， 结构侧 向刚度增强很大 ， 因此侧向位移很小。整体结构 在 风荷 载作 用下 两个 方 向较 大 的顶 点位移 为 1 0 ． 4 mm， 在地震荷载作用下两个方向较 大的顶 点位移最大为 5 ． 0 mm， 仅为结构高度 的 1 ／ 3 1 4 1 和 1 ／ 6 5 3 4 。因此 ， 可将本设计 中框架柱 的计算长 度系数考虑为规范中无侧移框架柱取值 。 上述 方法 只是 近 似方 法 ， 对 带 壁 板钢 框 架 中 的柱子计算长度系数如何取值 ， 是否有更合理有 效的设计方法 ， 有待进一步研究。 4壁板 加劲肋 布置 侧墙壁板上设置横向、 竖向加劲肋 ， 目的是保 证主体结构进人破坏或失效状态前， 壁板不发生 屈曲。加劲肋的合理布置是本设计 中的重要组成 部分 。 取出整体结 构中一榀横 向和纵 向带壁板框 架 ， 在通用有 限元软件 An s y s中建模分 析， 以正 常使用状态下壁板面外变形不大于 2 mm， 并且 框架 柱 脚 发 生 屈 服 时 ， 壁 板 面 外 位 移 不 大 于 5 mm 的标准确定加劲肋间距和截面尺寸。 计 算 结 果 显 示 ， 竖 向 加 劲 肋 截 面 取 槽 钢 C 1 2 ． 6 ， 横向加劲肋截面取槽钢 C 1 4 A 平 台桁架 处的杆件截面根据整体结构计算而定 ， 竖向加劲 肋间距 1 ． 4 ～1 ． 8 m， 横 向加劲肋 1 ． 0 ～1 ． 2 m 时 可保证壁板变形满足前述要求。加劲肋间距的具 体确定可结合平台和框架梁竖向间距或柱间距进 行微 调 。 原设计 中加劲肋 、 壁板和框架之间均采用刚 接， 部分竖向荷载会传到竖 向加劲肋上 。初步计 算发现， 竖向加劲肋承受的轴压力超过了其稳定