復雜工況下發電廠鋼煤斗不銹鋼內襯的設計分析

王智磊，祝 建，何江飛

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

復雜工況下發電廠鋼煤斗不銹鋼內襯的設計分析

王智磊，祝 建，何江飛

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

燃煤發電廠中作為儲煤結構的鋼煤斗，在運行溫度高、堆煤高度高的工況下，沿用常規采用的煤斗內襯設計方式可能存在安全隱患，在溫度作用下煤斗內襯產生起拱現象。結合規范公式和數值模型分析了內襯起拱時，塞焊點承受的貯料切向力、起拱積煤重力和溫度的共同作用，并結合某工程案例進行了計算。在此基礎上，提出了增大塞焊縫尺寸、在各層不銹鋼板搭接處施加角焊縫，以防止因施工缺陷導致溫度荷載增加的優化設計方案。采用此方案處理后，機組經過6個月同等工況運行后，內襯完好，未再脫落，表明該設計方案合理有效。

鋼煤斗；內襯；不銹鋼板；塞焊；溫度荷載

0 引言

煤斗結構是燃煤發電廠作為貯煤和卸煤的構筑物形式之一。雖然在設計上缺乏相關規范、規程或設計手冊，但設計人員對于這類特種結構的設計方法及計算要點已日益成熟[1-5]，形成了通用性較強的發電廠鋼煤斗典型設計可供參考。鋼煤斗的設計可分為支承結構設計、母材設計、內襯設計和接口設計4個部分。內襯設計的基本思路是，在鋼煤斗錐體（母材）內壁上焊接不銹鋼板耐磨層作為內襯，如圖1所示。不銹鋼板作為內襯所起的作用為：

（1）防止煤塊和煤粉在墜落或流動過程中磨損母材。

（2）防止煤塊和煤粉中腐蝕性成分與母材發生化學反應。

在典型設計中，內襯通常采用符合 GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》要求的3 mm厚O6Cr19Ni10不銹鋼板（即304L不銹鋼板）。母材則采用14 mm厚Q235B鋼板。材料物理特性參數列于表1。針對該類板材的焊接施工技術也已比較成熟[6，7]。

在運行溫度低或堆煤高度低的工況下（即煤斗主要作為卸煤通道），采用該類典型設計通常能夠滿足運行需要，符合安全生產要求。但在運行溫度高且堆煤高度高的工況下（即煤斗兼用作主要貯煤結構），采用該類設計可能存在不周全之處。

圖1 煤斗內襯安裝典型設計

表1 鋼煤斗內襯與母材物理特性參數

1 溫度作用下內襯變形分析

生產期溫度高于施工期溫度時，由于內襯與母材的線膨脹系數存在差異（如表1所示），會導致內襯與母材變形不協調，從而引起內襯變形。如在常規設計的300 mm×300 mm平面區格內，根據母材與內襯的線膨脹系數差異，隨著施工期與生產期溫差的增大，區格邊緣的延伸長度與邊緣中心起拱高度的變化如圖2所示。

圖2 施工與生產環境溫差變化引起的內襯板起拱變化

由圖2可知，區格邊緣的延伸長度呈線性變化趨勢，而邊緣中心的起拱高度呈非線性變化趨勢。在溫差較小的情況下就能引起區格產生形變。對于橫截面為較小圓形的錐斗而言，由于內襯初始形狀存在一定曲率，且形變將沿母材方向釋放，因此溫差引起的形變并不顯著。而對于橫截面為矩形及半徑較大的錐斗而言，由于內襯初始狀態接近平直，溫差引起的形變則較為顯著。如當溫差達到70℃時，邊緣中心起拱高度為3.25 mm，在三維空間中模擬的區格起拱形狀如圖3所示，區格中心最大起拱高度約6.5 mm。

圖3 溫差70℃時的內襯區格起拱形狀

2 內襯起拱受力分析

煤斗內襯起拱后，將直接承受原設計中由母材承受的荷載，因此可能發生破壞。導致破壞的荷載主要由3個部分組成：貯料切向力、起拱積煤重力、溫度作用。當相鄰區格存在施工缺陷時，塞焊點位置在溫度作用下將處于應力不平衡狀態。且當煤粉堆積高度大時，區格也承受較大的靜荷載。以上兩者共同作用，會使內襯與母材之間的塞焊縫承受較大荷載，產生破壞，并使內襯脫落甚至撕裂。

2.1 貯料切向力

根據GB 50077-2003《鋼筋混凝土筒倉設計規范》中4.2節淺倉貯料壓力的計算方法[8]，內襯面上的切向壓力荷載按式（1）—（2）進行計算。式中：hn為豎直筒倉內貯料堆積重心至漏斗頂面的高度；hh為漏斗頂面到漏斗內計算位置的高度；γ為貯料的重力密度；pv為貯料在計算位置的豎向壓應力；k為側壓力系數，k=tan2（45-Φ/ 2）；Φ為貯料的內摩擦角；α為漏斗倉壁傾角。

內襯塞焊點所承受的面積為A的區格上的剪力T：

由圖1可知，內襯區格一般為正方形，因此，

式中：l為區格邊長。

2.2 起拱積煤重力

內襯起拱區格上的積煤重力G可以按積煤錐體重量簡化計算。積煤錐體的體積V為在起拱區格的投影面積As內（即圖3所示的起拱形狀在X-Z或Y-Z平面上的投影）、由貯料破裂角θ所包圍的空間，計算公式見式（5）—（6）：

2.3 溫度作用

區格起拱后將對區格角部塞焊點形成一定的溫度應力。如在溫差70℃的工況下，采用有限元分析軟件ANSYS對內襯受力情況進行模擬，角部焊點處位置的Mises應力分布如圖4所示。除受應力集中影響的單元以外，塞焊點附近單元的應力均值σ處于約80 N/mm2的水平。

圖4 溫差70℃時內襯在焊點位置的Mises應力分布

當相鄰區格未發生破壞時，各區格應力水平相當，塞焊點處于應力平衡狀態，而當相鄰區格失效后，有效塞焊面積Af上將受溫度作用引起荷載S，計算公式見式（7）。

2.4 設計優化目標

目前在鋼煤斗內襯設計時，并未將內襯作為受力構件，且并未綜合考慮多種工況的條件，因此套用典型設計易發生設計漏項。改進設計的思路涵蓋3個方面：

（1）改用爆炸金屬復合板替代不銹鋼板與母材組合的形式。

（2）采用螺栓或錨栓連接替代焊接形式。

（3）采用合理的焊接設計。

以上3種方案的優缺點及適用性如下：

（1）爆炸金屬復合板的優點是將內襯與母材處理為復合材料，因此結構完整性高，不存在分層變形不協調的問題，也便于安裝。但爆炸金屬復合板造價較高，因此在電力行業中仍較少采用。

（2）螺栓或錨栓連接的優點是可以使內襯的螺栓孔邊與螺栓之間保留一定間距，使內襯板材在熱膨脹過程中具有一定的自由延伸空間，能有效地降低溫度應力。但采用螺栓或錨栓連接會增加施工階段的工作量，且尚無適應于高溫環境的柔性密封材料對螺栓孔進行封堵。在運行過程中，煤粉可能通過螺栓孔擠入內襯與母材之間，導致內襯自由脹縮的能力逐漸降低。

（3）對焊接方法的改進屬于在常規設計方法基礎上的優化，在造價和進度兩方面上均優于上述2個方案。因此，此處主要從改進焊接設計的角度考慮設計優化。

3 工程分析

3.1 工程概況

某發電廠采用大直徑圓形筒倉結構貯煤，上部豎直倉壁段高 22.64 m，為鋼筋混凝土結構；下部卸煤錐斗高16.5 m，為鋼煤斗。立面圖如圖5所示。鋼煤斗采用Q235B鋼板制作，懸掛于錐斗頂部的鋼筋混凝土梁上，其內襯采用304L不銹鋼。內襯安裝方式同圖1一致。

鋼煤斗安裝時間為11月，施工期月平均溫度為10℃。在運行期，筒倉內檢測到的最高溫度為80℃，最大溫差70℃。發電廠投產17個月后，煤斗中的不銹鋼板內襯在漏斗頂面以下8.4 m部分區塊發生脫落。經過現場勘察，發現部分尚未脫落的不銹鋼板有明顯的鼓包現象。通過對脫落的不銹鋼板進行檢查，排除了煤粉擠入內襯與母材的接觸面從而引發內襯鼓包的因素。

圖5 某工程煤斗立面圖

經過分析認為，內襯鼓包的現象是在溫度作用下，因內襯材料的線膨脹系數高于母材，從而產生了一定程度的隆起。在初始施工缺陷與煤粉堆載共同影響下，起拱部分內襯的變形加劇，使塞焊部位由于應力不平衡而脫落。

圖6 某發電廠煤斗內襯起拱、脫落情況

3.2 計算分析

通過查閱該工程鋼煤斗施工圖及供煤參數，原設計采用的計算參數取值列于表2。

根據式（1）—（7），利用表2參數進行計算，計算結果如表3所示。其中，焊縫承載能力C指內襯區格的焊縫承載能力。

表2 錐體中貯料計算參數取值

表3 起拱區格內力計算結構 N

常規鋼煤斗設計中一般忽略溫度作用，為比較由此帶來的影響，列出忽略溫度作用和加入溫度作用后的2種設計工況E1和E2。其中：

由表3可逐項計算各工況下的安全系數F。

計算工況E1時，即不存在施工缺陷、忽略溫度荷載影響時，由式（11）計算得到F1=1.07。表明塞焊點承載能力尚能承受貯料切向力及起拱積煤重力。而計算工況E2，即疊加溫度荷載后，由式（12）計算得到F2=0.85，表明此時焊縫極易破壞。而在煤倉底部（hh=16.5 m，T=5490.87 N，E2=6601.14 N），如有施工缺陷必須考慮溫度作用時，F2=0.69。即使不考慮溫度作用，也仍有發生脫落的隱患。

3.3 焊縫優化方案

3.3.1 增加焊縫尺寸

在焊縫尺寸方面，可參照中國建筑行業規程GB 50661-2011《鋼結構焊接規范》5.4節以及美國國家標準AWS D1.1/D1.1M-2015中2.4.5節的規定[9，10]，塞焊時內襯板開孔直徑應大于開孔板厚度加8 mm，且小于最小直徑加3 mm與開孔件厚度2.25倍之間的較大值。當開孔件厚度不大于16 mm時，焊縫填焊高度取值為不大于板件的厚度；當開孔件厚度大于16 mm時，焊縫填焊高度取值為板件厚度的1/2和16 mm之間的較大值；最小填焊高度不得小于2個連接部件中較薄板件的厚度。塞焊最小中心間距應為孔徑的4倍。

根據規程要求并結合本工程實際情況，塞焊開孔直徑應在11～14 mm范圍內選擇，取12 mm；焊縫填焊高度取3 mm；焊點間距仍為300 mm。采用該塞焊方案，可將塞焊點承載能力提高至18095 N，破壞位置的安全系數能提高至3.38，煤倉底部（hh=16.5 m）的安全系數也能達到2.74。

3.3.2 降低溫度荷載

為保證施工缺陷導致的溫度荷載施加于塞焊點，建議施工方對上下兩層不銹鋼板間的搭接方式（見圖1（c）），由原來的塞焊改為在上層板底部施加間斷或連續的角焊縫，將各層不銹鋼板焊接成整體，防止不銹鋼板邊緣在豎向對接焊縫的起、落弧缺陷處撕裂。

3.3.3 處理效果

根據以上處理方案，施工方對不銹鋼板脫落區域的不銹鋼板重新施焊安裝。經過近6個月同等工況的運行后，內襯完好，未再次發生脫落，表明該設計方案合理有效。

4 結論

通過分析鋼煤斗不銹鋼內襯板在溫度與機械力共同作用下的變形受力問題，提出了優化不銹鋼板焊接設計的方案，總結為以下3點：

（1）矩形或直徑較大的圓形鋼煤斗的不銹鋼內襯在施工期與生產期的溫差條件將造成內襯板起拱變形。

（2）在堆煤高度較大時，內襯板受溫度與機械力共同作用，可能導致塞焊點的破壞。

（3）不銹鋼板在設計時應使塞焊點能完全承受區格內的溫度與機械力共同作用。應采取措施使內襯自上而下形成整體，保證在不銹鋼板不因施工缺陷而承受溫度作用。

此處研究的不銹鋼內襯受荷載變形的過程主要基于彈性階段，其在塑性狀態下破壞的過程仍有待進一步分析研究，對于改善不銹鋼內襯的布置方式將具有指導作用。

[1]陳壽標.基于STAAD PRO的鋼煤斗有限元三維計算分析[J].福建建筑，2009，129（3）∶50-53.

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[6]劉曉靜.鋼煤斗不銹鋼內襯焊接[J].安裝，2006（5）∶33-35.

[7]劉福新.電廠不銹鋼復合板煤斗焊接技術[J].中國新技術新產品，2015（11）∶39-40.

[8]GB 50077-2003鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[9]GB 50661-2011鋼結構焊接規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[10]AWS D1.1/D1.1M-2015 Structural Welding Code-Steel [S].Amerlcan Welding Society，2015.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis on Design of Stainless Steel Lining for Steel Coal Bucket in Complicated Operating Conditions

WANG Zhilei，ZHU Jian，HE Jiangfei
（CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

There is potential safety hazard in steel coal bucket with stainless steel lining for coal storage in coal-fired power plants in operation condition of high temperature and coal piles.The coal bucket lining bulges under the effect of temperature.The effect of shear force of coal，cumulative coal weight and the temperature on plug weld of lining is analyzed via code formula and numerical model；besides，it is calculated based on a project case.Furthermore，the paper proposes an optimal design plan of enlarging plug weld size and using fillet welds at which stainless steel plates are connected to avoid the temperature load increase induced by construction defect.After treated with the plan，the lining remains unbroken and does not fall off any more with the unit runs for six months under the same operating condition，which demonstrates the reasonability and effectiveness of the design plan.

steel coal bucket；lining；stainless steel plate；plug weld；temperature load

TM621

：B

：1007-1881（2017）03-0046-05

2016-12-02

王智磊（1984），男，高級工程師，博士，從事發電廠土建結構工程及巖土工程設計。