炉底中间柱在圆筒炉钢结构中的作用分析

王宇翔

（南京金凌石化工程设计有限公司，江苏 南京210042）

管式加热炉是石油炼制、 化学工业中使用的工艺加热炉。其结构一般由燃烧器、辐射室、对流室、通风系统及余热回收系统五部分所组成[1]。传统的加热炉钢结构设计方法，常按经验设计或手工计算，计算效率偏低，设计裕量偏大。 随着计算机技术的发展，现可利用Staad.Pro 等有限元软件，对炉体钢结构进行建模分析，真实地反映结构的受力状态。

圆筒形管式加热炉一般采用圆周排列的立柱支撑，当炉体直径较大时，还设置炉底中间柱。 传统钢结构设计中常按经验法来决定是否设置炉底中间柱。 这种设计方法过于保守， 不仅增加不必要的计算，还浪费了钢材。 而且对于小型加热炉，炉底中间柱会占据燃烧器的空间，使燃烧器往外布置，增大炉体直径及炉体钢结构，带来很大的经济损失。

近几年，国内一些工程可研单位开始采用Staad.Pro 软件，分析优化加热炉钢结构。 2009 年，文献[2]采用Staad.Pro 软件建立计算模型，并针对圆筒形加热炉提出模型简化方法及结构优化方案。 2019 年，文献[3]采用Staad 和SSDD 软件对加热炉结构进行分析，根据分析结果改进炉体柱，节省了钢材和制造成本。 2017 年，文献[4]采用 Staad.Pro 软件对 3 种加热炉钢结构进行对比， 分析炉壁板对钢结构位移与应力的影响。 本文以某项目加热炉为例，利用Staad.Pro 软件， 分别按设置和不设置炉底中间柱两种结构，对加热炉钢结构进行模拟计算，根据计算结果分析对比两种模型。

1 圆筒炉结构设计条件

采用某炼油厂现有的一台圆筒炉作为计算模型：炉型为辐射-对流圆筒炉，炉底立柱节圆直径约9 m、炉底立柱高度3.3 m、炉底板距地面2.5 m、辐射段高度约15 m、对流段高度约11.5 m、烟囱高度约25.5 m，炉管采用吊架固定。 钢结构梁、柱、壁板等总重约1 400 kN，炉衬总重约1 000 kN，辐射段炉管充水总重（含炉管）约780 kN，对流段炉管充水总重（含管板）约455 kN，平台梯子总重约190 kN。 本设计采用的环境条件如下： 基本风压0.4 kPa， 雪压0.65 kPa，抗震设防烈度7 度，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度0.10 g，场地土类别Ⅲ类，地面粗糙度B。 本圆筒炉结构如图1 所示。

图1 圆筒炉结构示意图

2 用Staad.Pro 建立模型

按1∶1 的比例在有限元分析软件Staad.Pro 中建立圆筒炉模型。建立模型的具体步骤本文不再描述，建立完成的模型中包括炉底立柱、炉底中间柱、辐射段立柱、辐射圈梁、对流段立柱横梁、对流段桁架及烟囱等。燃烧器、炉管、炉管支吊架、对流管板等以载荷的形式，附加在相应的钢结构上。通过修改板单元的密度（钢板和炉衬的换算密度），使板单元的自重包括炉衬重量，免去单独计算炉衬重量的麻烦。需要注意的是，炉底立柱、辐射段立柱的型钢腹板方向对准炉中心， 此处通过调整梁单元的Beta 角来实现。软件最终建立的圆筒炉模型如图2、图3 所示。

图2 圆筒炉模型简图

图3 圆筒炉模型三维图

模型建立后为其添加载荷工况， 分为基本载荷工况和组合载荷工况。 基本载荷工况包括钢结构自重、炉管等附件自重、平台梯子自重、活载荷、风载荷和地震载荷等。其中风载荷和地震载荷可通过SSDD软件中提供的一般载荷向导建立。 组合载荷工况按照相关标准规范建立，参照GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》中的相关内容。

最后，通过对炉底中间柱的保留和删除（模型中的其余参数无需修改），建立了两种不同的结构模型。

3 两种模型位移对比分析

两种模型建立后，除了炉底中间柱的区别，其余结构、载荷等参数均相同。为了简化计算结果，本文选取了几处有代表性的节点位移进行对比分析； 并选取恒载荷、 风载荷、 地震载荷三种工况分别进行对比。需要说明的是：圆筒炉前后左右四个方向的风载荷区别不大，本文仅选取一个方向的风载荷（左风）进行分析；地震载荷X、Z 水平方向基本一致，本文仅选取X 方向地震载荷。 根据计算结果，两种模型具体的位移数值如表1 所示。

表1 两种模型位移对比分析

由结果可以看出，在水平地震载荷和水平风载荷的作用下，两种模型的各处节点位移基本一致。而在垂直恒载荷的作用下， 炉底中心处的垂直位移差别较大：当有炉底中间柱时，底部中心垂直位移-0.164 mm，无炉底中间柱时垂直位移可达到-11.347mm。

更全面地对比炉底各节点的计算结果后， 可以发现有炉底中间柱的模型， 炉底横梁和环梁的垂直位移量都明显减小。

4 两种模型静力对比分析

与位移对比分析一样， 选取恒载荷、 左风向载荷、X 方向地震载荷分别进行加热炉钢结构静力对比分析。为简化计算结果，选取几处有代表性的梁单元静力计算结果进行比较。 两种模型的静力对比分析见表2。

根据静力对比分析可见， 两种模型的辐射段立柱受力基本一致； 炉底立柱在风载荷和地震载荷水平力作用下， 受力基本一致， 在恒载荷垂直力作用下，有微小差别。 有炉底中间柱时，炉底周圈立柱的垂直力略小，承受的偏心弯矩略小；并且，两种模型的炉底横梁受力差别较大，有炉底中间柱时，炉底横梁弯矩-8.640 kN·m，无炉底中间柱时，横梁弯矩达到-23.593 kN·m。

表2 两种模型静力对比分析

对比分析全炉各个梁单元的静力后， 可以发现两种模型炉底以上钢结构的受力基本相同， 仅炉底钢结构的受力存在较大差别。为此，本文按相同的比例输出了两种模型的炉底梁单元应力等值线图，具体见图4、图 5。

图4 梁单元应力等值线图（有炉底中间柱时）

图5 梁单元应力等值线图（无炉底中间柱时）

根据图4 和图5 的对比分析显示， 有炉底中间柱时，有效加强了炉底横梁和环梁，大幅减小其剪力和弯矩；另外，略微减小炉底周圈立柱的垂直力和偏心弯矩。

5 结语

本文运用Staad.Pro 有限元分析软件，分别按设置和不设置炉底中间柱， 对两种圆筒炉钢结构进行对比，并分析炉底中间柱在圆筒炉钢结构中的作用：

（1）炉底中间柱对圆筒炉炉底钢结构有着明显加强作用， 可大幅减小炉底横梁和环梁的垂直位移和弯矩， 略微减小炉底周圈立柱的垂直力和偏心弯矩。 但对炉底以上钢结构几乎没有影响。

（2）利用Staad.Pro 对圆筒炉钢结构进行计算模拟，可得出炉底钢结构的位移、应力等计算结果，并按有关标准规范进行验证。 为实际圆筒炉设计中是否需要设置炉底中间柱，提供数值依据和参考作用。