懸掛式煙囪內筒結構設計 - 國核電力規(guī)劃設計研究院

1、懸掛式煙囪內筒結構設計章衛(wèi)松,崔傳宗,何昭仁(國核電力規(guī)劃設計研究院,北京 100094,中國摘要懸掛式鋼內筒煙囪因其良好的受力性能和經濟優(yōu)勢,正逐步在國內火力發(fā)電廠中得到應用。結合山東萊州某電廠240m高懸掛式鋼內筒煙囪項目,利用SAP2000軟件著重對內筒和平臺進行了整體受力分析,根據(jù)分析結果對結構計算和節(jié)點構造進行了探討,優(yōu)化設計后內筒受力性能和整體經濟性有較大提高。關鍵詞懸掛結構;鋼內筒煙囪; SAP2000中圖分類號: TU391,TU279.742 文獻標識碼:A 文章編號:1002-848X(作者簡介:章衛(wèi)松,碩士,工程師,Email:zws20009。Structural de

2、sign of suspended inner steel cylinder chimneyZhang Weisong, Cui Chuanzong He Zhaoren(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094, ChinaAbstract: Suspended inner steel cylinder chimneys are being applied at domestic thermal power plants because of perfect proper

3、ty of performance and economic advantage. Taking a suspended inner steel cylinder chimney in Laizhou with a height of 240m for example, the global mechanical analysis of inner steel cylinder and platforms were done by the software SAP2000. Structural calculation and joints construction are discussed

4、 based on the results. Property of performance and global economy were greatly improved after optimizing design.Key words: suspended structure; inner steel chimney; SAP20000 引言目前國內大機組火力發(fā)電廠大多采用濕法脫硫(FGD不加設煙氣加熱系統(tǒng)(GGH的工藝。正常運行時排入煙囪的煙氣溫度在50左右1,濕煙氣在煙囪內結露形成冷凝酸液,加劇了煙囪的腐蝕。解決此類煙囪的防腐問題,首選方案是鋼內筒套筒煙囪。國內大部分鋼內筒套筒煙囪

5、以自立式為主。自立式鋼內筒煙囪受力明確,結構計算簡單,但其屬于壓彎構件,存在穩(wěn)定問題,故一般內筒壁厚,自重大。懸掛式鋼內筒分段支承于各層平臺,筒身以受拉為主,避免了局部失穩(wěn),自重較自立式鋼內筒小40%左右,對外筒的設計十分有利。此外,自立式鋼內筒對于壓應力區(qū)域的腐蝕較敏感,且直接影響結構受力性能,而內筒局部腐蝕對于懸掛式內筒受拉承載力影響有限。懸掛式鋼內筒煙囪因其良好的經濟性和受力性能,正逐步得到廣大業(yè)主和設計單位的認同,不過在結構計算和節(jié)點構造方面要相對復雜一些。文中結合某百萬機電廠240m高煙囪項目,利用通用有限元分析軟件SAP2000對鋼內筒和平臺進行了整體建模計算,根據(jù)計算結果在上述幾

6、個方面進行了分析和探討。1 工程概況本期工程建設容量為21000MW的火力發(fā)電廠,煙囪結構形式為懸掛式鋼內筒煙囪,共2個排煙筒,分別供兩臺爐使用。電廠運行脫硫方式為石灰石-石膏濕法脫硫,不設置煙氣加熱系統(tǒng)(GGH,正常運行時煙囪入口處煙氣溫度為49.2,非正常運行時煙囪入口處煙氣溫度為111.0。百年一遇基本風壓為0.65MPa,抗震設防基本烈度7度,夏季極端最高溫度為38.9,冬季極端最低溫度為-17.0。2 結構布置鋼筋混凝土外筒高233m,內筒高240m,上口內直徑18.6m,0m處內直徑25.7m,筒身坡度自上而下依次為0.00,0.02,0.045。鋼內筒出口直徑為7.5m,材質為鈦

7、鋼復合板(Q235B鋼板+1.2mm鈦板,筒身共分成4段:072m,72132m,132192,192 240m,每兩段間設膨脹節(jié)。除第1段落于地面外,其余3段分別支承于130,190m及232m鋼平臺上,標高70,105,165,220m鋼平臺設置止晃點,煙道檢修平臺標高為15m。內筒壁厚:015m為12mm厚Q235B鋼板,1542m為鈦鋼復合板(12mm厚Q235B 鋼板+1.2mm鈦板,42m以上為鈦鋼復合板(8mm 厚Q235B鋼板+1.2mm鈦板,懸掛點及止晃點局部加強區(qū)域采用鈦鋼復合板(12mm厚Q235B鋼板+1.2mm 鈦板。平臺結構布置見圖1。 圖1 平臺結構布置在已有工程

8、的基礎上,筆者對止晃點和懸掛點構造措施進行了一定的改進,使結構體系更明確,受力更合理。與常規(guī)止晃點2做法不同:改進后的止晃點在平臺鋼梁上設置止擋,使其水平方向位移受到限制;止晃梁與平臺梁間留有一定的間隙,止晃點結合處噴涂了聚四氟乙烯,減小了摩擦,使鋼內筒沿豎向能自由變形;為了起到減震的目的,在止擋表面設置了橡膠墊。與傳統(tǒng)的做法相比較,止晃點反力均沿筒壁圓周切向,使鋼梁承受軸向力,也避免了筒壁產生應力集中,有限元分析的結果也證實了這一點。此外改進后的止晃點施工也較方便。做法見圖2。 1-1圖2 止晃點做法常規(guī)的懸掛點3做法是將懸掛牛腿與支撐鋼梁焊接。分析表明,即使在最不利荷載工況組合下,焊縫均沒

9、有破壞,此時懸掛平臺在平面外承受較大附加彎矩,標準值約為24000kN.m,支承梁豎向反力標準值最大達到1980kN,同時止晃點反力標準值最大達到1000kN,這樣導致平臺鋼梁截面較大,過大的彎矩會使懸掛段上部出現(xiàn)受壓區(qū),不利于內筒的穩(wěn)定。本工程通過調整懸掛點剛度的方式,使之對于內筒整體而言,更接近理想鉸支座,有效釋放彎矩,從而減小反力值。具體做法為:懸掛牛腿下表面設置橡膠墊,直接擱置于支承鋼梁上,使其在側向荷載下能釋放附加彎矩,又能起到一定的緩沖作用;為防止支座失效后內筒不發(fā)生轉動,在懸掛牛腿兩側設置止擋,止擋與牛腿間采取減震和減小摩擦的措施,做法與止晃點類似,見圖3。 2-2圖3 懸掛點做

10、法針對本工程鋼內筒防腐的特點,膨脹節(jié)采用了圖4的做法3。膨脹節(jié)上下段內筒采用法蘭連接方式,其施工和安裝均比傳統(tǒng)的插入式方便,可維護性能較好。膨脹節(jié)密封材料選用氟橡膠,它具有很好的延性和耐化學腐蝕性能,以保證溫度和外筒側向變形作用時,上下段內筒不發(fā)生接觸,且酸液不 易滲漏。圖4 膨脹節(jié)做法3 鋼內筒計算 3.1 內筒位移鋼筋混凝土外筒在風荷載、地震力等作用下產生水平位移,根據(jù)變形協(xié)調的原理,通過各層鋼平臺使鋼內筒產生相同的位移4。外筒的水平位移和內筒的剛度將直接決定內筒所受力的大小,進而影響到用鋼量。雖然增加外筒剛度可減小外筒位移,在一定程度上減小了鋼內筒和平臺的用鋼量,但外筒的混凝土用量卻大幅

11、提高,這并不經濟。故通過調整內筒剛度的方式來到達到上述目的。從煙囪計算軟件對外筒的計算結果來看,外筒結構方案能滿足承載力和變形要求,其中風荷載對結構反應起控制作用。荷載作用標準組合下,筒身的水平位移2見表1。筒身不同標高處水平位移 表1標高/m0 7 15 35 70 105130 165 190 220 232位移 /mm 0 15 24 92 212 381529 765 949 118212803.2 內筒與平臺有限元模型采用SAP2000 V14.15對鋼內筒和平臺進行了有限元建模,內筒采用殼單元模擬,筒身加勁肋、平臺承重梁采用桿系單元模擬,建模中構件截面尺寸、孔洞大小及定位與真實結構

12、一致。內、外筒之間的連接定義為固定鉸支座,止晃點及懸掛點與內筒的連接引入縫單元,模擬間隙和接觸,以求接近實際情況。非線性分析中內筒位移荷載按最不利方向加載,即與煙囪中心線成45o 夾角,并考慮了溫度作用的影響,模型見圖5。煙道洞口 懸掛平臺圖5 內筒及平臺局部模型 應力計算結果顯示,內筒壁應力普遍小于60N/mm 2(圖6(a ,但內筒懸掛點和煙道口附近出現(xiàn)一定的應力集中現(xiàn)象,但僅局限在12個單元范圍內,應力最大值分別為245N/mm 2和260N/mm 2(圖6(b ,這主要跟有限元模型的單點加載方式有關。實際工程中懸掛點通過環(huán)向加勁肋可有效地實現(xiàn)應力的擴散,而煙道洞口處通過圓弧過渡和周邊的

13、加固處理也能解決此問題。(a 煙道洞口處內筒應力分布(b 懸掛點內筒應力分布 圖6 內筒應力分布圖/N/mm 2極端荷載工況下,內筒徑向相對位移最大值位于130m 懸掛點處,f max =8mm ,此處加勁肋間距L=1250mm ,f max /L=1/156,滿足要求。實際工程中由于筒壁水平和豎向加勁肋的加固作用,最終變形值要小于模型計算值。 從懸掛點及止晃點反力計算結果來看,采用本文的做法其反力值明顯減小,見表2,3。這主要由計算模型的差異造成的:在荷載最不利情況下,常規(guī)做法懸掛點一側出現(xiàn)下壓力,一側出現(xiàn)上拔力,從而產生較大的附加力矩;而改進后的懸掛點一側與鋼梁脫開,另外一側僅承受內筒自重

14、,受力性能大大改善。本文選取了其中一段內筒進行說明,見圖7,8。懸掛點反力標準值/kN 表2標高/m 130 190 232 常規(guī)做法 1980 1935 1622 本文做法 1230 1252 1080 止晃點反力標準值/kN 表3標高/m 70 105165 220常規(guī)做法 515 320 305 420 本文做法245 120 119 173 圖7 優(yōu)化前計算簡圖圖8 優(yōu)化后計算簡圖此外,懸掛點和止晃點反力的大幅度減小對平臺鋼梁的設計十分有利,這一點可以從結構優(yōu)化前后平臺鋼梁應力比看出。而限于篇幅本文僅給出130m 平臺的鋼梁應力比,相同截面條件下,優(yōu)化前鋼梁應力比最大達到2.007,優(yōu)

15、化后鋼梁應力比均小于1.0,見圖9,10。圖9 優(yōu)化前鋼梁應力比圖10 優(yōu)化后鋼梁應力比4 結語目前懸掛式套筒煙囪是大型火力發(fā)電廠的發(fā)展方向,合理的結構布置方案和節(jié)點措施對此類煙囪的設計尤為重要。文中對懸掛點采取措施優(yōu)化后,使得煙囪結構受力更合理,利用SAP2000軟件整體計算結果表明,內筒承載力和變形滿足要求,懸掛點和止晃點反力值、平臺用鋼量較常規(guī)做法可大幅度降低,能取得較好的經濟效益。隨著設計與施工經驗的積累,對工程可作進一步優(yōu)化設計。參 考 文 獻1 劉付浩,田樹桐,楊小兵,等. 火力發(fā)電廠懸吊式鋼內筒煙囪的結構設計J. 武漢大學學報:工學版,2007,40(S1:442 - 445. 2 牛春良. 煙囪工程手冊M. 北京:中國計劃出版社,200