淺談某大型裂解爐鋼結構框架設計

馮丙陽

中國石化工程建設有限公司 北京 100010

1 引言

近年來，隨著國內百萬噸乙烯裝置的迅猛發展，裂解爐設備也朝著越來越大型化的方向發展，因此，優化裂解爐鋼結構框架設計對保證乙烯裝置結構的安全性和經濟性具有重要的現實意義。目前，有關乙烯裂解爐鋼結構框架的研究大多集中于框架局部的研究，對鋼結構框架的整體設計研究較少，例如：陳春[1]對裂解爐爐壁板等效為拉壓斜桿進行分析，推導了等效桿件截面面積公式；姜炳陽[2]基于工程經驗，探討了裂解爐爐底鋼柱的設計方法；施慕桓[3]利用結構設計軟件研究了裂解爐鋼結構改造加固方法。

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

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構。本文以重油爐F-110為例介紹裂解爐鋼結構框架設計。

2.1 結構形式及設計方案

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，結構采用鉸接柱腳，框架外非爐本體部分均設連續豎向支撐。框架構件連接采用焊接，考慮到設備安裝及檢修，部分構件連接節點采用栓接。

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

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

3 鋼結構設計

3.1 結構計算模型

根據爐本體及設備布置，按照結構設計方案建立STAAD.Pro模型，同常見鋼結構框架相比，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構框架的影響對鋼結構設計的合理性具有重要的影響。本計算模型建立四節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構，整體模型如圖1所示。

結構模型已考慮爐本體荷載（約155t），，結構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置連續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構解決上述技術問題。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）框架柱變截面設計

對于底部雙輻射爐膛，頂部單對流室的裂解爐，上部鋼結構框架柱不存在剛度突變，且承受荷載較小，出于經濟性考慮，本項目上部鋼框架柱進行變截面拼接設計，將截面HW400X400、HW350X350柱變為HW300X300截面，既減小了鋼結構自重荷載有大大節省了鋼材。

3.2 風荷載計算

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

根據擋風面積的不同，本項目將裂解爐鋼結構框架風荷載的計算分成三部分，分別是：考慮雙管效應的輻射段部分、鋼框架+設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GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》規定：獨立墻壁及圍墻的體型系數為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》表8.3.1第38項，基于輻射段雙爐膛結構，應考慮前后雙管效應對墻壁體型系數的影響：

按照插值法，前后雙管效應的體型系數μs=0.875，因為前后雙管體型系數的基礎值為0.6，所以體型系數的放大系數為：

綜上，裂解爐輻射段部分的體型系數應將墻壁體型系數乘以放大系數1.4581.

（2）開敞式鋼框架+設備

裂解爐對流段部分，對流段相當于一個大型設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，該部分體型系數直接取1.3.

（3）開敞式鋼框架

頂部鋼框架部分，通過統計鋼框架構件擋風面積，考慮多榀效應求取鋼框架的整體體型系數.

將裂解爐鋼結構框架風荷載分成上述三部分考慮，并依據《荷規》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 結構計算控制指標

（1）框架柱位移限值

依據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）和《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）規定，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《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）規定，對鋼結構梁撓度限值為：框架梁和設備支撐梁容許值取L/400；次梁撓度容許值取L/250

（3）各類構件最大允許長細比

依據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）和《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）分別對框架柱、支撐構件等設置長細比容許值。

3.4 結構計算結果

（1）強度校核

提取結構模型應力比計算結果，所有構件應力比值均可用。選取典型斷面應力比值如圖5所示。

圖5 對流段應力比

（2）位移校核

① 結構頂點最大位移

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，對應層間高度為h=4m，則，dmax/h=4.117/4/1000=1/971〈1/400，滿足規范要求。

4 結論

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，利用結構計算軟件STAAD.Pro完成了大型裂解爐鋼結構框架的整體設計，主要得出以下結論：

（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計算。

（2）提出閉口組合截面鋼柱結構解決爐底處剛度突變的技術方案，防止出現“胖柱”現象；對于上部荷載較小的部分，提出鋼柱變截面設計，既降低了鋼結構自重，又大大節省了鋼材。

（3）基于爐本體“雙輻射爐膛，單對流室”結構形式，依據體型系數取值不同，將裂解爐鋼結構框架的風荷載計算分三部分，保證了設計的合理性。