馮丙陽

中國石化工程建設(shè)有限公司 北京 100010

1 引言

近年來，隨著國內(nèi)百萬噸乙烯裝置的迅猛發(fā)展，裂解爐設(shè)備也朝著越來越大型化的方向發(fā)展，因此，優(yōu)化裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計對保證乙烯裝置結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性具有重要的現(xiàn)實意義。目前，有關(guān)乙烯裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的研究大多集中于框架局部的研究，對鋼結(jié)構(gòu)框架的整體設(shè)計研究較少，例如：陳春[1]對裂解爐爐壁板等效為拉壓斜桿進行分析，推導(dǎo)了等效桿件截面面積公式；姜炳陽[2]基于工程經(jīng)驗，探討了裂解爐爐底鋼柱的設(shè)計方法；施慕桓[3]利用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件研究了裂解爐鋼結(jié)構(gòu)改造加固方法。

基于前人在相關(guān)方面的研究成果，為完成裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的整體設(shè)計，本文以某100萬噸/年乙烯工程裂解爐項目為工程實例，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件STAAD.Pro V8i完成了鋼結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，以期為后來類似工作提供指導(dǎo)。

2 工程概況

某100萬噸/年乙烯裂解爐，采用美國Technip SW的專利工藝包，包括重油爐2臺、輕油爐5臺和氣體爐1臺，每臺裂解爐采用的是雙輻射爐膛，單對流室位于頂部的結(jié)構(gòu)。本文以重油爐F-110為例介紹裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計。

2.1 結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計方案

裂解爐框架橫向3跨，縱向9跨，長32米，寬11.77米，高51.3米，共11層。各層框架布置在爐本體外圍，結(jié)構(gòu)采用鉸接柱腳，框架外非爐本體部分均設(shè)連續(xù)豎向支撐?？蚣軜?gòu)件連接采用焊接，考慮到設(shè)備安裝及檢修，部分構(gòu)件連接節(jié)點采用栓接。

2.2 主要自然條件

基本風壓值：W0= 0.75kN/m2（地面粗糙度：A類）

場地土類別：Ⅱ類

抗震設(shè)防烈度：7 度（0.13g，αmax=0.117），第一組，Tg=0.40s

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)計算模型

根據(jù)爐本體及設(shè)備布置，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計方案建立STAAD.Pro模型，同常見鋼結(jié)構(gòu)框架相比，裂解爐框架主要有三部分不同：

（1）爐壁板

裂解爐爐壁板是由工字鋼、槽鋼或角鋼形成鋼骨架，再鋪設(shè)鋼板，鋼板和鋼骨架采用焊接組成的。因此，爐壁板不僅傳遞外加垂直荷載到框架柱上，而且還主要承受水平地震作用和風荷載作用。所以，準確模擬爐壁板對鋼結(jié)構(gòu)框架的影響對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性具有重要的影響。本計算模型建立四節(jié)點板單元模擬爐壁板，爐壁板厚度取6mm，在爐本體部分形成鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，整體模型如圖1所示。

結(jié)構(gòu)模型已考慮爐本體荷載（約155t），，結(jié)構(gòu)分析時重新定義爐壁板材料屬性，忽略爐本體自重。這樣既考慮爐壁板的剛度又消除了爐壁板對設(shè)備自重的影響。

（2）框架柱底加強

裂解爐爐體剛度大，在爐底存在剛度突變，因爐底燃燒器布置要求，爐底部分鋼柱之間無法設(shè)置連續(xù)的豎向柱間支撐來提高整體剛度，為提高爐底柱剛度，本項目用閉口組合截面鋼柱結(jié)構(gòu)解決上述技術(shù)問題。閉口組合截面鋼柱由H型鋼柱和平行于H型鋼柱腹板方向的兩塊加強鋼板形成組合截面，同時在鋼柱強軸方向貼板增強鋼柱強軸方向抗彎剛度，并與柱腳底板焊接.

（3）框架柱變截面設(shè)計

對于底部雙輻射爐膛，頂部單對流室的裂解爐，上部鋼結(jié)構(gòu)框架柱不存在剛度突變，且承受荷載較小，出于經(jīng)濟性考慮，本項目上部鋼框架柱進行變截面拼接設(shè)計，將截面HW400X400、HW350X350柱變?yōu)镠W300X300截面，既減小了鋼結(jié)構(gòu)自重荷載有大大節(jié)省了鋼材。

3.2 風荷載計算

裂解爐鋼框架的恒（活）荷載、地震荷載、設(shè)備荷載、管道荷載等同一般框架類似，在此不再贅述。本節(jié)主要對框架風荷載進行分析計算。

根據(jù)擋風面積的不同，本項目將裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架風荷載的計算分成三部分，分別是：考慮雙管效應(yīng)的輻射段部分、鋼框架+設(shè)備的對流段部分和開敞式鋼框架部分，具體詳見圖2.

圖2 風荷載計算

（1）獨立墻壁+前后雙管

裂解爐輻射段部分，將輻射段部分等效為墻壁，依據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定：獨立墻壁及圍墻的體型系數(shù)為1.3.裂解爐輻射段有兩個爐膛，形成“前后雙管”形式。參照《荷規(guī)》表8.3.1第38項，基于輻射段雙爐膛結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮前后雙管效應(yīng)對墻壁體型系數(shù)的影響：

按照插值法，前后雙管效應(yīng)的體型系數(shù)μs=0.875，因為前后雙管體型系數(shù)的基礎(chǔ)值為0.6，所以體型系數(shù)的放大系數(shù)為：

綜上，裂解爐輻射段部分的體型系數(shù)應(yīng)將墻壁體型系數(shù)乘以放大系數(shù)1.4581.

（2）開敞式鋼框架+設(shè)備

裂解爐對流段部分，對流段相當于一個大型設(shè)備安裝在裂解爐鋼框架中，考慮到爐壁板相當于獨立墻壁，故將此部分進行等效處理，等效成獨立墻壁承擔風荷載，因此，該部分體型系數(shù)直接取1.3.

（3）開敞式鋼框架

頂部鋼框架部分，通過統(tǒng)計鋼框架構(gòu)件擋風面積，考慮多榀效應(yīng)求取鋼框架的整體體型系數(shù).

將裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架風荷載分成上述三部分考慮，并依據(jù)《荷規(guī)》風荷載計算公式：F=βzμzω0Ae，計算所得的每層風荷載詳見下表1。

表1 框架順風向風荷載（kN）

3.3 結(jié)構(gòu)計算控制指標

（1）框架柱位移限值

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017-2017）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定，對于鋼框架柱位移限值為：風荷載標準值作用下，柱頂位移容許值為H/500，層間相對位移容許值為h/400；多遇地震作用下，彈性層間位移角容許值為1/250。

（2）梁撓度限值

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017-2017）規(guī)定，對鋼結(jié)構(gòu)梁撓度限值為：框架梁和設(shè)備支撐梁容許值取L/400；次梁撓度容許值取L/250

（3）各類構(gòu)件最大允許長細比

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017-2017）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）分別對框架柱、支撐構(gòu)件等設(shè)置長細比容許值。

3.4 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

（1）強度校核

提取結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力比計算結(jié)果，所有構(gòu)件應(yīng)力比值均可用。選取典型斷面應(yīng)力比值如圖5所示。

圖5 對流段應(yīng)力比

（2）位移校核

① 結(jié)構(gòu)頂點最大位移

風荷載標準值作用下，框架H=51.3m高度處柱頂點的最大水平位移為Dmax=64.833mm，Dmax/H=64.833/51.3/1000=1/791〈1/500，滿足規(guī)范要求。

② 層間最大相對位移

風荷載標準值作用下，框架層間最大相對位移為dmax=4.117mm，對應(yīng)層間高度為h=4m，則，dmax/h=4.117/4/1000=1/971〈1/400，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文以筆者參與的某100萬噸/年乙烯裂解爐項目為工程實例，利用結(jié)構(gòu)計算軟件STAAD.Pro完成了大型裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的整體設(shè)計，主要得出以下結(jié)論：

（1）STAAD.Pro模型中以板單元模擬爐壁板，考慮爐壁板剛度對框架的影響，同時對爐壁板賦予低密度材料屬性，防止爐壁板自重造成荷載重復(fù)計算。

（2）提出閉口組合截面鋼柱結(jié)構(gòu)解決爐底處剛度突變的技術(shù)方案，防止出現(xiàn)“胖柱”現(xiàn)象；對于上部荷載較小的部分，提出鋼柱變截面設(shè)計，既降低了鋼結(jié)構(gòu)自重，又大大節(jié)省了鋼材。

（3）基于爐本體“雙輻射爐膛，單對流室”結(jié)構(gòu)形式，依據(jù)體型系數(shù)取值不同，將裂解爐鋼結(jié)構(gòu)框架的風荷載計算分三部分，保證了設(shè)計的合理性。