LNG高架火炬塔架及排气筒的设计与分析

王子兴 杨美娥 王宏伟 孙守禄 宋民航

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403019

摘 要 为保证某高度为115.5 m的LNG火炬塔架和排气筒满足强度和稳定性要求，采用STAAD.Pro软件建立结构三维数值模型，对结构在风载荷、地震载荷、温度载荷作用下的构件内力与变形计算并对排气筒进行振动特性分析。计算结果表明：结构在基本载荷及组合工况下强度和稳定性均满足规范要求。同时，结构前10阶振型对应的雷诺数在亚临界范围之内，说明塔架会产生涡激共振，进而给出相应的减振措施。塔架的第3节段是综合应力最大节点，应用ANSYS有限元分析对该节点进行分析核算，得出最大等效应力点位于塔架柱与横杆连接点根部，σmax=286.09 MPa。该值小于材料的抗拉强度，说明节点具有足够的承载力。

关键词 火炬塔架 排气筒 STAAD.Pro 基本载荷 涡激共振 有限元分析

中图分类号 TE969   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0462?08

Design and Analysis of LNG Elevated Flare Derrick and Vent Stack

WANG Zi?xing1， YANG Mei?e1， WANG Hong?wei1， SUN Shou?lu1， SONG Min?hang2

（1. CNOOC Petrochemical Engineering Co.， Ltd.;

2. Institute of Process Engineering ， Chinese Academy of Sciences）

Abstract   For purpose of making LNG elevated flare derrick and vent stack 115.5 m in height comply with the strength and stability requirements， having STAAD.Pro software adopted to establish their 3D numerical model was implemented， including analyzing their internal forces， deformation and the vent stacks vibration characteristics under the wind load， earthquake load and the temperature load. The calculation results show that， their strength and stability comply with the code requirements under basic load and combined working conditions; and meanwhile， their Reynolds number corresponding to the first 10?order vibration modes stays within a subcritical range， this indicates that the LNG elevated flare derrick will produce vortex?excited resonance and the solutions to it should be presented. In addition， ANSYS was adopted to analyze the flare derricks third segment where the maximum combined stress node exists. The results show that， the maximum equal effect force point exists at the root of the connection point between the torch derrick pillar and the crossbar（σmax=286.09 MPa）. This value is less than the tensile strength of the material and indicates that the node has sufficient bearing capacity.

Key words   flare derrick， vent stack， STAAD.Pro， basic load， vortex?excited resonance， finite element analysis

作者简介：王子兴（1987-），工程师，从事LNG火炬设计工作，wangzx24@cnooc.com.cn。

引用本文：王子兴，杨美娥，王宏伟，等.LNG高架火炬塔架及排气筒的设计与分析[J]化工机械，2024，51（3）：462-469.

火炬及压力泄放系统是LNG接收站生产装置中重要的安全和环保设施，主要用于处理接收站生产装置开停工、非正常生产及紧急状态下无法进行有效回收的BOG气体。LNG接收站的火炬系统通常采用高架火炬和地面火炬两种形式，其中高架火炬是目前较常用的排放方法[1～3]。高架火炬的压力泄放主要通过排气筒，而火炬塔架是支撑排气筒的主要构筑物。火炬塔架具有高度高、用钢量大及造价高等特点，且承受自身重量、风载荷、地震载荷等多种载荷的作用[4]，一旦失效将造成LNG接收站超压而引发严重的事故。因此必须保证火炬塔架和排气筒具有足够的强度和稳定性。

有限元法是工程数值分析的常用方法之一。钢结构分析软件STAAD.Pro不但可以进行任意构件的静力分析和动态分析，而且可在构件的任意部位施加分布载荷、集中载荷及温度载荷等，在塔架的设计计算与研究中有广泛的应用[5～10]。在对结构的整体进行静力分析时往往忽略了节点区域的实际受力状态，而ANSYS软件能高效求解各类结构静力、线性和非线性的问题，目前多采用ANSYS对塔架的关键节点进行弹塑性分析[11～13]。

为了保证火炬塔架及火炬排气筒满足强度和稳定性要求，因此建立结构三维数值计算模型，采用有限元方法对结构进行动力特性分析、风载荷、地震载荷下的内力分析和变形计算，结合ANSYS软件对结构的典型节点进行详细建模并核算其承载能力。

1 LNG火炬塔架模型

1.1 工程概况

某新建LNG高架火炬为整体全焊钢结构，立面采用自立式折线型钢结构，横截面采用正三角形，火炬塔架及排气筒整体俯视图如图1所示。该塔底部安装标高EL+0.00 m，底部根开20 m，塔架柱沿顺时针方向编号1#～3#。塔架总高115.5 m，共分为16节段。其中1～10层塔架钢结构由塔架柱、横杆、腹杆和横格拉杆组成稳定架构，立面腹杆形式为K形;10～16层塔架由塔架柱、横杆和斜杆组成，立面斜杆形式为交叉形。

火炬塔架设外检修平台两处，分别位于火炬塔标高EL+115.5 m、EL+110.50 m处，沿爬梯每节段设置休息平台，并在标高EL+45.00 m、EL+76.50 m处设置航空障碍灯安装平台。火炬排气筒布置于正三角形塔架内接圆的中心处，每层节段设有3根?16 mm的拉杆与塔架柱相连接。排气筒尺寸规格根据LNG排放量90 t/h计算得出，其中筒体外径?730 mm，壁厚δ=10 mm。

因火炬塔架属于高耸结构且建设地点临海，相对于型钢组合断面，塔架构件中的塔柱、横杆、腹杆和斜杆采用风阻小、重量轻的钢管构件，可使塔架具有较好的抗风和抗震性能。表1给出了火炬塔架各层节段标高和所用主要钢结构件的规格，塔架柱圆截面随高度增加而逐级减小。除塔架柱、横杆和腹杆材质选用Q345B以外，其余结构件均选用Q235B，且所有构件均做热浸锌防腐处理。

1.2 数值模型

采用STAAD.Pro软件对火炬塔架按1：1比例进行建模，数值模型共计221个节点，631个梁单元。根据概念设计理念，检修平台、爬梯和航空障碍灯等附件均以载荷的形式在数值模型中体现。即将载荷等效离散化为节点力加载到相应节点及梁单元上。图2为LNG高架火炬塔架及排气筒的简化计算模型。

2 载荷与工况组合

2.1 载荷选取

根据实际结构的受力特点，LNG火炬塔架及排气筒主要考虑了恒载荷、活载荷、风载荷、地震载荷及温差载荷作用的影响。因排气筒燃烧时会产生热辐射，所以不再考虑火炬塔架的裹冰载荷。

恒载荷。结构所承受的恒载荷主要包括两个部分：一是塔架与排气筒自重，由程序自动计算并作用在对应的构件中;二是热浸锌、法兰盘、节点板、加劲肋及螺栓等，按20%结构自重考虑。

活载荷。主要为检修平台和爬梯活载荷，顶部工作平台载荷取4.0 kN/m2，爬梯取2.0 kN/m2。根据静力等效的原则计算横风向和自重后折算到相应的节段塔架中进行计算。

风载荷。根据火炬塔架所在地历年主导风向和横截面形状，在计算中考虑了3个风向的风载荷作用，即第1风向w1，第2风向w2，第3风向w3，作用方向如图3所示。

火炬塔架总高115.5 m且建设地点临海，属于高耸结构，对风载荷敏感。因此风载荷是设计计算时考虑的主要因素。根据GB 50135—2019[14]，垂直于结构表面上的风载荷标准值wk为：

w=βμ μw   （1）

式中 w——设计基本风压值，kN/m2;

β——高度z处风振系数;

μ——风载荷体型系数;

μ——风压高度变化系数。

设计基本风压w0按当地50年一遇的最大10 min平均风速35.09 m/s进行计算，并乘以1.1倍系数。地面粗糙度在临海位置，取为A类。经计算，该火炬塔架的基本风压值为0.85 kN/m2。其余影响系数根据标准规定和计算模型进行取值，并考虑排气筒、检修平台及附加物等的影响，表2给出了塔架各层在第1风向载荷下的标准值。

表2 塔架各层第1风向w1载荷下的标准值

[标高/m  μz  μs  βz  标准值/kN     9.0   1.25 1.30 1.09 56.03      27.0 1.63 1.27 1.44 80.51      45.0 1.84 1.28 1.83 99.39       62.0 1.99 1.26 2.11 97.60      76.5 2.09 1.24 2.25 78.26      89.0 2.17 1.30 2.27 54.65      100.5      2.23 1.29 2.22 43.87       110.2      2.28 1.28 2.12 30.90      115.2      2.31 1.26 2.05 30.25      ]

地震载荷。采用振型分解反应谱法对火炬塔架和排气筒进行分析。地震设防烈度7度，场地类别Ⅲ类，设计基本加速度0.1g，设计地震分组为第2组。反应谱曲线需要参数设定为：特征周期T=0.40 s，阻尼比ζ=0.035，水平地震影响系数最大0.08，主要考虑x和z轴两个方向的地震载荷。

温差载荷。塔架受排气筒燃烧时的火焰辐射影响，杆件因受热不均导致沿杆件方向产生温差应力。经计算火炬燃烧时的热辐射影响范围，设定塔架结构温差载荷为30 ℃。

2.2 载荷组合与边界条件

结合SH/T 3029—2014《石油化工企业排气筒和火炬塔架设计规范》[15]对塔架承载能力极限状态的规定并忽略裹冰载荷的影响，经筛选计算了以下4种可能出现的最不利组合工况：

a. 组合工况1。1.5风载荷w1+1.2恒载荷+0.7活载荷+温度载荷。

b. 组合工况2。1.5风载荷w2+1.2恒载荷+0.7活载荷+温度载荷。

c. 组合工况3。1.5风载荷w3+1.2恒载荷+0.7活载荷+温度载荷。

d. 组合工况4。1.3地震载荷E+1.2恒载荷+0.2风载荷w。

塔架结构内力按空间桁架结构进行计算，塔架柱连接点采用承压型高强度螺栓的法兰盘连接，因此连接点视为刚性连接，塔架柱及排气筒同基础的连接视为固接。

LNG火炬塔架和排气筒经建模、材料属性确定、载荷选取、边界条件设定后，进行计算结果分析与评定。

3 计算结果分析

应用STAAD.Pro软件计算构件的内力并校核结构的整体强度、稳定性和变形情况。

3.1 强度与稳定性

静力校核结果的载荷与反力差值均为0，说明模型载荷与边界条件的设定合理。横杆和斜杆的综合受力最大节点位于第3节段处。支座反力统计结果显示，3#支座在组合工况3时产生最大水平力F=1575 kN，2#支座在组合工况2时产生最大拉力F=9198.27 kN。塔架柱构件在4种最不利工况下的最大应力比为83.97%，发生在第1节段塔架柱;横杆、腹杆、斜杆和横格拉杆的最大应力比为81.18%，发生在第11节斜杆，二者均小于规范要求值。塔架柱最大长细比59.8<70.2（Q345B），横杆和刚性斜杆的最大长细比88.4<150，且所有受压构件的长细比均小于150，结构满足稳定性要求。

3.2 变形与位移

排气筒受风载荷的作用，最大位移点位于排气筒顶部节点，x方向的最大位移值为508.95 mm，与总高度115.5 m比值小于标准[14]规定的1/150;在地震载荷作用下顶部节点的最大x方向的位移值为23.62 mm，与总高度115.5 m比值小于标准[9]中规定的1/100。火炬塔架在风载荷及地震载荷的作用下最大位移值为43.56 mm，小于标准中的规定值。图4给出了塔架在组合工况1时的整体变形情况，并根据计算结果检验其他工况组合下的变形及位移值，4种组合工况下的变形和位移均满足规范要求。

3.3 涡激共振

LNG火炬排气筒是直径?730 mm的圆形截面，在横风向风载荷作用下，排气筒后面两侧会产生一排交替的旋涡脱落，这些交替的旋涡在结构两侧不断脉动，从而引起风向沿垂直方向振动，如果旋涡脱落周期同塔架的自振周期相近，则会产生涡激共振现象[16，17]。图5为火炬塔架第1阶振型，其自振周期为1.075 s，振型方向以x方向为主;图6为第3阶振型图，自振周期为0.437 s，振型方向以扭转为主。

对于排气筒，发生涡激共振时的临界风速v为：

v=5D/T （2）

式中 D——排气筒直径，mm;

T——结构第i阶自振周期，s。

而旋涡特性与雷诺数Re密切相关，雷诺数Re为：

Re=69000×v×D  （3）

将火炬塔架及排气筒计算得到的前10阶自振周期值代入式（2）、（3）中，计算得到相应的临界风速vci和雷诺数Re列于表3。

从表3可知，火炬塔架及排气筒的前10个振型通过计算得到的Re均在亚临界区（300≤Re≤300000）范围内。说明结构后侧会出现交替性的旋涡，塔架将产生周期性振动。涡激共振现象一旦发生，将导致结构在横截面两侧出现交变的拉伸和弯曲应力，致使结构的疲劳破坏失效。

为防止结构振动的发生，将原每层装设3根?16 mm的拉杆尺寸增大到?20 mm，并且在排气筒顶部10 m范围内设置破风圈，以减轻涡激共振对结构的影响。

4 节点模型分析

4.1 节点模型

由STAAD.Pro对整体结构内力计算分析可知，横杆、腹杆和横格拉杆的综合受力最大节点位于第3节段。为准确分析此处节点的受力状态，应用ANSYS软件建立实体单元模型对结构进行静力计算分析。塔架柱与节点板焊接在一起，横格拉杆与节点板采用高强螺栓连接，因此横格拉杆与塔架柱视为刚性连接。

图7为第3节点实体单元模型及网格划分图，节点模型包括塔架柱、横杆、腹杆、横格拉杆和连接板实体单元，结构尺寸与实际一致。模型采用六面体单元对节点模型进行网格划分，共划分为49 059个节点，11 059个单元。材料参数取值为：弹性模量200 GPa，泊松比0.3。节点模型中结构单元的载荷施加值为结构在组合工况2时的设计载荷。

4.2 节点应力分析

经计算求解后的节点等效应力、应变和变形情况如图8～10所示。图8为节点的Von Mises等效应力云图，由图可知，在拉应力作用下，横杆、腹杆与塔架柱连接点根部存在较大应力，应力值沿连接点向外呈梯度均匀减小。连接板与横格拉杆处的应力较小。应力最大点位于腹杆与塔架柱连接底部区域，最大应力值为σ=286.09 MPa。图9为节点等效弹性应变图，与图8中Von Mises等效应力变化规律一致，最大应变值为0.001 43。从图10所示的节点模型的整体变形图可知，塔架柱受横杆、腹杆和横格拉杆共同的作用下有趋扁趋势，垂直作用面塔架柱左右两面均有较大位移值。结构最大位移点位于横杆端部，位移最大值为2.41 mm。

因塔架柱、横杆和腹杆材料选用为Q345B结构用无缝钢管，根据标准中的规定，当直径大于16 mm时，该材料的许用抗拉强度[f]=290 MPa，σ<[f]，证明节点的承载能力满足设计要求。

5 结论

5.1 火炬塔架和排气筒在5种基本载荷及4种最不利组合工况下，结构各杆件内力和稳定性均满足规范要求。火炬塔架的综合受力最大点位于第3节段。

5.2 排气筒在风载荷w时顶端产生最大位移（508.95 mm）;在地震载荷作用下的最大位移值为23.62 mm。塔架在风载荷和地震载荷的最大位移值为43.56 mm，结构的变形与位移均满足要求。

5.3 经过计算火炬塔架和直径?730 mm的排气筒得前10阶振型对应的雷诺数均在亚临界范围内，塔架会产生涡激共振现象。为防止振动产生，在排气筒上部10 m范围内设置破风圈并改用?20 mm的拉杆与塔架柱相连接。

5.4 应用ANSYS对塔架第3节段建立实体单元模型并进行核算，得出最大等效应力位于塔架柱与横杆连接点根部，其值为σ=286.09 MPa，小于材料的许用抗拉强度值，说明该节点承载力满足设计要求。

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（收稿日期：2023-04-17，修回日期：2024-03-18）