炉壁板对加热炉炉体立柱的影响分析

皇甫文英，张颖虹

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京100166）

管式加热炉是石油化工、石油炼制、化学工业中常使用的一种工艺加热设备。 被加热的介质在管内流动，且管内为高温高压受力状态，介质也多有易燃易爆的特性，危害性大，且通常为连续工作状态。 因此， 支撑这个设备钢结构设计的安全性和可靠性就尤其重要。加热炉结构一般至上而下依次为烟囱、对流段和辐射段， 主要承重结构为辐射段中的炉体立柱和壳体。其中筒体柱除承受上端结构的载荷，还需承受侧向载荷的作用。 炉体立柱受力状态多为压弯构件， 因此保证炉体立柱的强度和稳定对整个结构起到关键的作用。

利用三维有限元分析软件STAAD.Pro 建立加热炉结构的两种模型，一种为带壁板的结构模型，另一种为不带壁板的纯框架模型。 通过计算得到加热炉炉体立柱的应力强度， 分析比较壁板对炉体立柱强度和稳定性的影响。

1 工程概述

本文以某项目圆筒型加热炉为例进行分析探讨。 总高度为19.4 m，辐射段炉壳外直径3.34 m，辐射段高度为9.36 m， 对流段尺寸为4.514 m×2.545 m×3.500 m，烟囱锥段高度为3.5 m，烟囱上端外壳直径1.016 m，烟囱总高度为6.54 m。 加热炉炉体设有4 根立柱，炉底柱与地基锚固连接，筒体柱与炉壳钢板焊接，筒体柱端部与上、下环梁相连。 炉壳钢板壁厚为5 mm，炉顶钢板和炉底钢板均为8 mm，圆筒炉壳设置两根环梁。 整个结构的钢材均选择Q235B。

2 模型介绍

根据设计图对加热炉结构进行简化模拟。分别建立两种模型分析，模型1 为带壁板的分析模型（见图1），模型2 为不带壁板纯框架的分析模型（见图2）。

为了计算结构的真实受力情况且便于施加载荷，将所有承载梁柱进行建模。 对于烟囱的建模，如果采用板单元对烟囱进行模拟会使得整个模型复杂且计算效率低下，且烟囱不是本次计算的主要内容，因此用圆管和锥形管进行模拟可以满足计算要求。按照设计图建立几何模型，用BEAM 梁单元模拟梁柱，用PLATE 板单元模拟炉壳壁板，添加边界约束条件，以及特殊受力构件的约束释放、桁架构件、主从节点等，使计算模型符合力学假定，以保证计算的准确性，最后将几何模型中各单元赋予物理涵义，并将各载荷作用于各单元中进行计算。

图1 有壁板模型1 示意图

图2 纯框架模型2 示意图

3 载荷计算

3.1 载荷取值

加热炉钢结构的载荷与作用主要分为以下四类：

（1）永久载荷：钢结构自重、耐火衬里重量、配件重、炉管及炉内介质重，按照实际情况取值；

（2）活载荷：主要为检修及操作的平台活载荷，载荷标准值可取2.5 kN/m2；

（3）风载荷：按照SH/T 3070-2005《石油化工管式炉钢结构设计规范》附录B 的方法，分段计算各段所受风载荷， 将核算出的载荷加载到各部分的单元处，基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度为B 类，按X和Z两个方向分别考虑；

（4）地震载荷：地震作用按照X和Z两个方向分别考虑， 计算地震作用下结构的反应时， 需要将100%的永久载荷和50%的活载荷转化为重力载荷代表值进行计算。

地震作用参数为：抗震设防烈度8 度0.20 g；设计地震分组为第一组；场地土类别为II 类，特征周期0.40 s。

3.2 载荷组合

计算中考虑以下载荷组合：

组合工况1：恒载荷+活载荷

组合工况2：恒载荷+活载荷+X向风载荷

组合工况3：恒载荷+活载荷+Z向风载荷

组合工况4：恒载荷+X向地震载荷

组合工况5：恒载荷+Z向地震载荷。

4 结果分析

选择两种立柱进行分析，一种为炉底柱，炉底柱上端与环梁连接，下端与地基锚接，炉底柱支撑整个炉体结构，为立柱中受力最大的构件；另一种为筒体柱，选取筒柱中最下端构件分析，该构件上、下端部均与环梁相连， 为辐射段通长范围内筒体柱受力最大的部分。 以X轴和Z轴正向象限中的炉底柱编号为1，其他炉底柱的编号依次按照逆时针进行排序，以X轴和Z轴正向象限中的筒体柱编号为5， 其他筒体柱的编号依次按照逆时针进行排序。

4.1 炉体立柱应力分析

经过计算， 在工况4 和工况5 组合载荷下炉底柱所受的应力最大。在两种模型下，最大应力计算结果见表1，筒体柱的最大应力计算结果见表2。

表1 炉底柱最大应力值

表2 筒体柱最大应力值

通过表1 和表2 中炉底柱和筒体柱应力值分析可知，炉底柱既有压应力也有拉应力，两种不同的模型对炉底柱受力影响不大；而筒体柱仅有压应力，有壁板的筒体柱最大应力比约为8%，纯框架的筒体柱最大应力比约为23%。 筒体柱在有壁板的模型中与炉壳相连，炉壳分担了部分的结构受力，因此筒体柱在有壁板的模型中受力较小。

4.2 炉体立柱稳定性分析

两种模型下，稳定性计算的分析见表3、表4。

表3 炉底柱稳定性强度 （N/mm2）

表4 筒体柱稳定性强度 （N/mm2）

由表3 和表4 数据分析可知，两种模型下，炉底柱稳定性强度差别不大， 但筒体柱的稳定性差别较大，且对平面内稳定性影响更大。 有壁板的模型中，平面内稳定性最大应力比为8%，平面外稳定性最大应力比为12%；无壁板纯框架模型中，平面内稳定性最大应力比为79%，平面外稳定性最大应力为41%。可见，壁板对筒体柱平面内的影响是非常大的。

5 结论

（1）有无壁板的分析模型对炉底柱的强度和稳定性均无影响。

（2）对筒体立柱，在无壁板纯框架模型中不仅承受整个结构的垂直载荷，且要承受侧向载荷，因此筒体柱的应力比都比较高；在有壁板的模型中，炉壁板与框架结构一起受力，壁板分担了一部分载荷，筒体柱的受力也相应较小，同时，炉壁板对整个结构的侧向刚度起到了很大作用， 筒体柱的稳定性也大幅度提高， 且对平面内稳定的提高作用大于对平面外稳定的提高作用。