石化加热炉钢结构设计方法研究_王海涛

应用遍布于石 加热炉是将 物 料 加 热 的 设 备 ， 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 以Ａ ｎ ｓ ｓ软 件 为 基 ｙ 采用 Ｖ 开发了加热 础， Ｂ 语言编写了可视化程序 ， 炉结构设计平台 ， 可实现典型加热炉设计参数的
工业炉
·１ 石油化工设备技 术 ， ２ ０ １ ３， ３ ４（ ３） ２· Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｕ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ －Ｃ ｑ ｐ ｇ ｙ
石化加热炉钢结构设计方法研究
王海涛１， 王佼姣２， 施 刚２， 厉亚宁１， 蔡建光１， 孙 毅１
图 ４ 壁板与框架的连接示意
／ 和１ 可将本设 计 中 框 架 柱 的 计 算 长 ６ ５ ３ ４。 因此 ， 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 是否有更合理有 的柱子计算长度 系 数 如 何 取 值 ， 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 证主体结构进入 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 Ａ 以正 ｎ ｓ ｓ中 建 模 分 析， ｙ 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 横向加 劲 肋 截 面 取 槽 钢 Ｃ 平台桁架 Ｃ １ ２． ６， １ ４ Ａ（ ， 处的杆件截面根据整体结构计算而定 ） 竖向加劲 横 向 加 劲 肋 １． 肋间距 １． ４～１． ８ ｍ， ０～１． ２ｍ 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
【 １】 ２】 修改 。 王晓波 【 以Ｖ Ｂ 为 开 发 工 具， Ａ ｃ 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 ，
被利用 ， 这不但不能真实地反映结构的受力性能 ，
】 ６ ７ － 。石化行业某加热 在经济上也 是 很 大 的 损 失 【
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 结构整体外型硕大的问题 ， 影响使用空间且使 大、 得工程 建 设 成 本 大 大 增 加 。 本 文 考 虑 了 壁 板 作 对该工程加热炉整体结构进行了设计分析 ， 研 用， 究了带壁板的加热炉钢框架的一些关键设计 问题 。 １ 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 宽、 高为 ２ 间立柱等特点 。 框架的长 、 ８ ８ ７ ６ｍｍ× １ ５ ３ ２ ０ｍｍ×３ 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． ６ｍ 处以上设 有钢壁板 ， 厚度为 ５ｍｍ， 炉顶板和底板分别为 ８， １ ６ｍｍ。 加 热 炉 竖 向 除 顶 部 烟 囱 外 分 为 辐 射 段 （ 、 标高为 １． 辐射转对流段（ 标高为 ６～１ ７． ９ ７ ｍ） 、 对流段 （ 标高为 ２ １ ７． ９ ７～２ ３． ３ ７ｍ） 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 Ｑ ２ 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
４ 卷第 ３ 期 第３
王海涛等 ．石化加热炉钢结构设计方法研究
·１ ３·
／ 设计软 件 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ Ｇ ｅ ｎ 中 建 模。 为 计 算 结 构 的 真 实受力情况且便 于 施 加 荷 载 ， 将所有框架和壁板 结构 均 进 行 建 模 ， 包 括 主 框 架 梁 柱、 水 平 支 撑、 竖 壁板加劲肋 、 平台桁架等多种杆件 。 截面 向支撑 、 其 次 为 焊 接 截 面， 涉 及 到 Ｈ 型 钢、 槽 首选 型 钢 ， 钢、 角钢 、 焊接工字型等多种截面形式 。 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ整 体模型见图 ２。
重量为目标函数 ， 实现了基于离散变量算法的结
５】 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入壁板的作用 。 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
型系数为 －０． ５ 取值 。 ） ， 地震作用为 ７ 度区 （ 设计地震分组一 ０． １ｇ 组， 场 地 类 别 Ⅱ 类。 根 据 抗 震 规 范 Ｇ Ｂ ５ ０ ０ １ １— 【 ８】 ２ ０ ０ ３ 中第 ５． １． ２条 底部剪力法等简化方法只 以 剪 切 变 形 为 主， 且质 适用于高度不 超 过 ４ ０ ｍ、 量和刚度沿高度 分 布 比 较 均 匀 的 结 构 ， 以及近似
图 ３ 壁板与框架的位置关系
２． ４ 其他问题 未 考 虑 钢 板 和 框 架 梁 柱 的 偏 心， 均按轴线 建模 。 考虑到钢板生 产 时 的 人 为 误 差 ， 墙板建模计
·１ ４·
石 油 化 工 设 备 技 术
２ ０ １ ３年
算时板厚比实际减小 ０． 偏于安全 。 ５ｍｍ，
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Ｍ 杆件稳定性验算时的计算 ｉ ｄ ａ ｓ分 析 中 ， 则由软件自动识别梁柱后计 长度系数若未指 定 ， 由于本结构中 ， 梁的布置比较 算 。 通过试算发现 ， 规则简单 ， 侧向支撑点易识别 ， Ｍ ｉ 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 在地震荷 载 作 用 下 两 个 方 向 较 大 的 顶 １ ０． ４ｍｍ， ／ 点位移最大为 ５． 仅为结构高度的１ ０ ｍｍ， ３ １ ４ １
法进 行 了 研 究 。 刘 斌 等 人
实现了结构的强 度 、 稳定性校核以及自振周期的
３】 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
４】 采用 数 学 中 的 一 维 搜 索 法 ， 以结构总 立杰等人 【
（ ） 北京 １ 清华大学土木工程系 ，北京 １ １．中国石化工程建设有限公司 ， ０ ０ １ ０ １； ２． ０ ０ ０ ８ ４ 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 摘 要 ： 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 ） 框架柱 ０． 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 应力比控制在 ０． ８ ５ 以内 （ ７ ５ ０％ 。 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
将其折算增加 结构壁板的 衬 里 自 重 的 处 理 ， 。 到钢板密度中 结构底部柱子 （ 固接于地面 。 ２ ４ 根） 根据抗震规 范
【 ８】
， 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 两个水平方向 ０ ０时， 振型参与质量系数均大于规范要求的 ９ ０％ 。 除竖向圆管支撑考虑到两端 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ模型中 ， 水平支撑按柔性支撑考虑设 构造设为桁架单 元 、 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 要 求 。 Ｍ ｉ 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 钢结构设 Ｂ ５ ０ ０ １ ７—２ ０ ０ ３《 计规范 》 规定 ： 对 于 框 架 梁， 计算长度取为受压
图 １ 加热炉结构概况
即先将连接角钢 梁的连接由连接 角 钢 焊 接 过 渡 ， 与框架梁焊 接 ， 再 将 壁 板 与 连 接 角 钢 焊 接。壁 板 用 连 续 角 焊 缝 焊 上。 与框 架 柱 翼 缘 搭 接 ３ ０ ｍｍ， 其连接件如图 ４ 所示 。 壁板与框架之间的这种连 接足够有效时 ， 可认为壁板可以与框架梁柱形成 整体抗侧力体系以抵抗水平荷载 。 有效连接的具 体构造措施可进一步研究 。 在Ｍ 以壁板与框架的刚性连接 ｉ ｄ ａ ｓ模 型 中 ， 形式将壁板的侧向刚度考虑到整体分析中 。
。 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 ｍ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｎ ｈ ａ ｉ ｔ ａ ｏ ｅ ｉ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ ＠ｓ ｇ
图 ２ 加热炉结构 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ模型
２． ２ 荷载取值和荷载组合 加热炉除结构自重荷载以外 ， 壁板衬里 、 辐射 及对流盘管重量等炉内恒荷载均按实际情况计算
２ ／ ， 取值 。 桁 架 平 台 恒 载 按 ８ 活载按２ ０ｋ ｍ ５ ０ ｇ ２ ／ 取值 。 ｋ ｍ ｇ 风荷载按迎 风 面 体 型 系 数 为 ０． 背风面体 ８，
于单质点体系的结构 。 本加热炉结构不属于此类 结构 ， 宜采用振型 分 解 反 应 谱 法 进 行 多 遇 地 震 下 的分析 ， 在Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ软件中采用反应谱分析实现 。 根 【】 —２ 据抗震规 范 Ｇ Ｂ形码５ ０ ０ １ １ ０Baidu Nhomakorabea０ ３中第８ ． ２ ． ２８ ， 多遇地震下的计 算 ， 高度不高于５ ０ ｍ 的 钢 结 构， 阻尼比可取为 ０． ０ ４。７ 度抗震区可不考虑竖向地 震作用 。 荷载组合 在 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ中 依 照 荷 载 规 范 自 动 组 ， 合 包括了两个方 向 的 风 荷 载 和 两 个 方 向 的 地 震 荷载 。 ２． ３ 壁板参与受力的考虑 侧墙壁板是否能参与水平荷载的受力与其和 周围构件的连接关系密不可分 。 为防止壁板在正常使用状态下发生屈曲影响 其性能 ， 需在 壁 板 上 设 置 水 平 和 竖 向 加 劲 肋 。 壁 、 板和竖向边缘构件 （ 柱和竖向加劲肋） 水平边缘 构件 （ 梁和水平加 劲 肋 ） 的 位 置 关 系 如 图 ３ 所 示。 壁板与周围钢框架以焊接形式连接 。 壁板与框架