夏紅文

中國寰球工程公司 北京 100029

1 概述

在乙烯裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，裂解爐爐體支撐結(jié)構(gòu)屬重大設(shè)備裝備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)布局緊湊，承載著裂解輻射爐管、對流爐管、SLE設(shè)備、急冷汽包、爐頂風(fēng)機(jī)和煙囪以及十余層操作平臺，結(jié)構(gòu)受力工況極其復(fù)雜，所以保證爐體鋼結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下的安全運(yùn)行是結(jié)構(gòu)專業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

新疆獨(dú)山子1000 kt/a乙烯裝置包括8臺150 kt/a裂解爐，是目前國內(nèi)單臺裂解能力最大的裂解爐，初步設(shè)計(jì)由德國LINDE公司承擔(dān)，但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著如何將美國UBC規(guī)范的系數(shù)轉(zhuǎn)換為中國規(guī)范的取值，對中國規(guī)范不了解，不能按國標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，需考慮如何采用中國規(guī)范驗(yàn)算錯(cuò)綜復(fù)雜的桿件。針對上述難題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員首先研究規(guī)范內(nèi)容，由于外方在計(jì)算中還使用了德國DIN標(biāo)準(zhǔn)，通過與外方溝通后，對各項(xiàng)荷載逐一對比，按照中國規(guī)范整理輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)裂解爐爐體結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)圖紙用PDS軟件建模，將模型導(dǎo)入通用計(jì)算軟件ANSYS程序，研究工藝的各種操作工況和建筑結(jié)構(gòu)的地震和風(fēng)載等參數(shù)進(jìn)行加載，用求解器計(jì)算；然后分析各種后處理結(jié)果，研究爐體結(jié)構(gòu)在各種不利工況組合下的結(jié)構(gòu)安全，將計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比較分析；最后修改設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峤皇┕D。按照以上程序方法，設(shè)計(jì)人員攻克了PDS數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)接口、地震反應(yīng)譜加載、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、彈塑性分析和爐頂風(fēng)機(jī)平臺動(dòng)力分析等難題。

2 設(shè)計(jì)

2.1 PDS數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)接口

對于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)建模一般采用PDS軟件，但用PDS軟件建立的模型數(shù)據(jù)輸出導(dǎo)入ANSYS數(shù)據(jù)求解計(jì)算不能直接進(jìn)行，為此，設(shè)計(jì)人員詳細(xì)研究PDS輸出的數(shù)據(jù)格式，在ANSYS軟件中用命令流編制了專門的程序，經(jīng)過反復(fù)修改試驗(yàn)，成功地將裂解爐結(jié)構(gòu)模型PDS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS程序，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元單元?jiǎng)澏?，采用梁、板混合單元進(jìn)行計(jì)算。

2.2 地震反應(yīng)譜加載和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2001、《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223-2004、《石油化工企業(yè)建筑抗震設(shè)防等級分類標(biāo)準(zhǔn)》SH 3049-93、《石油化工企業(yè)構(gòu)筑物抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》SH 3069-95等規(guī)定，裂解爐爐體結(jié)構(gòu)抗震等級為乙類，構(gòu)造應(yīng)按當(dāng)?shù)卦O(shè)防提高1度設(shè)計(jì)。

地震反應(yīng)譜按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2001曲線輸入，地震強(qiáng)度8級，設(shè)計(jì)地震分組第二組，場地類別II，采用SRSS振型組合反應(yīng)譜分析法，計(jì)算水平地震作用對結(jié)構(gòu)的影響。反應(yīng)譜曲線定義如下：0，0.072；0.1，0.16； 0.4，0.16；1.2，0.0595；1.95，0.0385； 2.75，0.0352；3.6，0.0325；4.4，0.0299；5.15，0.0275；6， 0.0248。

通過計(jì)算，第1、2振型為平動(dòng)，第5振為扭轉(zhuǎn)振型。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期為0.55s。結(jié)構(gòu)的前6個(gè)振型見圖1。

圖1 爐整體結(jié)構(gòu)振型圖

2.3 彈塑性分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合原則

恒載初值 Primary 1 DL (DEAD LOAD)

活載初值 Primary 2 LL (LIVE LOAD)

風(fēng)載初值 Primary 3 WL (WIND LOAD，左風(fēng))

風(fēng)載初值 Primary 4 WR (WIND LOAD，右風(fēng))

風(fēng)載初值 Primary 5 WF (WIND LOAD，前風(fēng))

風(fēng)載初值 Primary 6 WB (WIND LOAD，后風(fēng))

地震初值Primary 7 EX (SPECTRUM IN X-DIRECTION，X方向)

地震初值Primary 8 EZ (SPECTRUM IN Z-DIRECTION， Z方向)

組合 Combination 9 DL+LL

組合 Combination 10 DL+LL+WL

組合 Combination 11 DL+LL+WR

組合 Combination 12 DL+LL+WF

組合 Combination 13 DL+LL+WB

組合 Combination 14 DL+LL+WL

組合 Combination 15 DL+LL+WR

組合 Combination 16 DL+LL+WF

組合 Combination 17 DL+LL+WB

組合 Combination 18 DL+LL+EX

組合 Combination 19 DL+LL-EX

組合 Combination 20 DL+LL+EZ

組合 Combination 21 DL+LL-EZ

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析及彈塑性設(shè)計(jì)

通過計(jì)算原則和上述方法驗(yàn)算專利商的結(jié)構(gòu)得出結(jié)論，發(fā)現(xiàn)專利商的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在兩個(gè)問題：①Z型轉(zhuǎn)換桁架強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足；②角柱根處強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足。為此，多次與專利商聯(lián)絡(luò)和討論，經(jīng)過對方重新計(jì)算，同意修改Z型轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)，增加截面面積。對于角柱根處強(qiáng)度不足的問題，采用了國際上先進(jìn)的塑性極限設(shè)計(jì)理論方法，對地震情況下的結(jié)構(gòu)考慮局部出現(xiàn)塑性后的整體強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算，同時(shí)也驗(yàn)算了變形，滿足規(guī)范的要求。

2.4 爐頂風(fēng)機(jī)平臺動(dòng)力分析

針對國內(nèi)其他乙烯裝置裂解爐風(fēng)機(jī)平臺震動(dòng)過大影響裂解爐運(yùn)行的實(shí)際問題，在獨(dú)山子乙烯裂解爐的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重視爐頂風(fēng)機(jī)平臺的防振動(dòng)問題，采用SAP軟件對爐頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析見圖2。

圖2 爐頂結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。此外，還在風(fēng)機(jī)支座處設(shè)置了減震器，通過項(xiàng)目投產(chǎn)后的風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，振動(dòng)較小。

3 結(jié)語

(1)本文初步探討裂解爐爐體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本假設(shè)與步驟，然而從幾何計(jì)算模型到設(shè)計(jì)圖紙，從下料加工到模塊安裝等許多的關(guān)鍵環(huán)節(jié)還需要一系列技術(shù)攻關(guān)，才能保證裂解爐整體的順利安裝及運(yùn)行。

(2)近日，獨(dú)山子石化百萬噸乙烯裂解爐鋼結(jié)構(gòu)工程獲得2008年度中國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)工程質(zhì)量的最高榮譽(yù)—中國建筑鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)工程“鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”，殊榮背后我們看到，裂解爐爐體鋼結(jié)構(gòu)仍有很多設(shè)計(jì)與施工的課題有待進(jìn)一步優(yōu)化和探討。