乙烯裂解爐爐體鋼結構設計初探

夏紅文

中國寰球工程公司 北京 100029

1 概述

在乙烯裝置的結構設計中，裂解爐爐體支撐結構屬重大設備裝備鋼結構設計，該結構布局緊湊，承載著裂解輻射爐管、對流爐管、SLE設備、急冷汽包、爐頂風機和煙囪以及十余層操作平臺，結構受力工況極其復雜，所以保證爐體鋼結構在復雜工況下的安全運行是結構專業面臨的重大挑戰。

新疆獨山子1000 kt/a乙烯裝置包括8臺150 kt/a裂解爐，是目前國內單臺裂解能力最大的裂解爐，初步設計由德國LINDE公司承擔，但該結構設計面臨著如何將美國UBC規范的系數轉換為中國規范的取值，對中國規范不了解，不能按國標進行設計檢驗，需考慮如何采用中國規范驗算錯綜復雜的桿件。針對上述難題，結構設計人員首先研究規范內容，由于外方在計算中還使用了德國DIN標準，通過與外方溝通后，對各項荷載逐一對比，按照中國規范整理輸入數據。根據裂解爐爐體結構初步設計圖紙用PDS軟件建模，將模型導入通用計算軟件ANSYS程序，研究工藝的各種操作工況和建筑結構的地震和風載等參數進行加載，用求解器計算；然后分析各種后處理結果，研究爐體結構在各種不利工況組合下的結構安全，將計算結果與原設計的結果進行比較分析；最后修改設計圖紙提交施工圖。按照以上程序方法，設計人員攻克了PDS數據與ANSYS數據接口、地震反應譜加載、結構的動力響應、彈塑性分析和爐頂風機平臺動力分析等難題。

2 設計

2.1 PDS數據與ANSYS數據接口

對于復雜的鋼結構建模一般采用PDS軟件，但用PDS軟件建立的模型數據輸出導入ANSYS數據求解計算不能直接進行，為此，設計人員詳細研究PDS輸出的數據格式，在ANSYS軟件中用命令流編制了專門的程序，經過反復修改試驗，成功地將裂解爐結構模型PDS數據導入到ANSYS程序，并對結構進行有限元單元劃定，采用梁、板混合單元進行計算。

2.2 地震反應譜加載和結構的動力響應

根據《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001、《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223-2004、《石油化工企業建筑抗震設防等級分類標準》SH 3049-93、《石油化工企業構筑物抗震設防分類標準》SH 3069-95等規定，裂解爐爐體結構抗震等級為乙類，構造應按當地設防提高1度設計。

地震反應譜按《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001曲線輸入，地震強度8級，設計地震分組第二組，場地類別II，采用SRSS振型組合反應譜分析法，計算水平地震作用對結構的影響。反應譜曲線定義如下：0，0.072；0.1，0.16； 0.4，0.16；1.2，0.0595；1.95，0.0385； 2.75，0.0352；3.6，0.0325；4.4，0.0299；5.15，0.0275；6， 0.0248。

通過計算，第1、2振型為平動，第5振為扭轉振型。結構的振動周期為0.55s。結構的前6個振型見圖1。

圖1 爐整體結構振型圖

2.3 彈塑性分析

2.3.1 結構計算荷載組合原則

恒載初值 Primary 1 DL (DEAD LOAD)

活載初值 Primary 2 LL (LIVE LOAD)

風載初值 Primary 3 WL (WIND LOAD，左風)

風載初值 Primary 4 WR (WIND LOAD，右風)

風載初值 Primary 5 WF (WIND LOAD，前風)

風載初值 Primary 6 WB (WIND LOAD，后風)

地震初值Primary 7 EX (SPECTRUM IN X-DIRECTION，X方向)

地震初值Primary 8 EZ (SPECTRUM IN Z-DIRECTION， Z方向)

組合 Combination 9 DL+LL

組合 Combination 10 DL+LL+WL

組合 Combination 11 DL+LL+WR

組合 Combination 12 DL+LL+WF

組合 Combination 13 DL+LL+WB

組合 Combination 14 DL+LL+WL

組合 Combination 15 DL+LL+WR

組合 Combination 16 DL+LL+WF

組合 Combination 17 DL+LL+WB

組合 Combination 18 DL+LL+EX

組合 Combination 19 DL+LL-EX

組合 Combination 20 DL+LL+EZ

組合 Combination 21 DL+LL-EZ

2.3.2 計算結果分析及彈塑性設計

通過計算原則和上述方法驗算專利商的結構得出結論，發現專利商的結構設計存在兩個問題：①Z型轉換桁架強度和穩定性不足；②角柱根處強度和穩定性不足。為此，多次與專利商聯絡和討論，經過對方重新計算，同意修改Z型轉換桁架設計，增加截面面積。對于角柱根處強度不足的問題，采用了國際上先進的塑性極限設計理論方法，對地震情況下的結構考慮局部出現塑性后的整體強度進行結構安全性驗算，同時也驗算了變形，滿足規范的要求。

2.4 爐頂風機平臺動力分析

針對國內其他乙烯裝置裂解爐風機平臺震動過大影響裂解爐運行的實際問題，在獨山子乙烯裂解爐的鋼結構設計中非常重視爐頂風機平臺的防振動問題，采用SAP軟件對爐頂結構進行模態分析見圖2。

圖2 爐頂結構模態分析

使結構的振動控制在規范允許范圍內。此外，還在風機支座處設置了減震器，通過項目投產后的風機運行情況驗證，風機運轉情況良好，振動較小。

3 結語

(1)本文初步探討裂解爐爐體鋼結構設計的基本假設與步驟，然而從幾何計算模型到設計圖紙，從下料加工到模塊安裝等許多的關鍵環節還需要一系列技術攻關，才能保證裂解爐整體的順利安裝及運行。

(2)近日，獨山子石化百萬噸乙烯裂解爐鋼結構工程獲得2008年度中國建筑鋼結構行業工程質量的最高榮譽—中國建筑鋼結構優質工程“鋼結構金獎”，殊榮背后我們看到，裂解爐爐體鋼結構仍有很多設計與施工的課題有待進一步優化和探討。