基于SAP2000的脫硝反應器鋼結構計算分析

王 慶 楊

(中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇 南京 210019)

1 概述

脫硝反應器作為脫硝系統的重要設備，從結構上來說其作用主要是承載催化反應試塊，形成封閉的空倉為脫硝反應提供空間。脫硝反應器通常具有荷載大，工作溫度高，結構空間尺寸較大，工況復雜等特點，本文以某脫硝反應器為實例，從鋼結構設計的角度出發，采用大型有限元分析軟件SAP2000，對脫銷反應器進行計算分析，獲得其在各種工況下的內力與變形，為鋼結構設計提供依據。

2 結構形式確定

根據工藝要求反應器一般可分為進口煙道、反應器本體與下煙道三部分。反應器本體放置催化劑，一般做成框架結構，上下煙道根據尺寸與荷載可采用框架結構或者倉筒加勁結構。為了釋放溫度變形，反應器通常與其支撐框架獨立開來，反應器本身自成為一個整體，其與支撐框架的連接方式通常為懸掛式和承托式。懸掛式反應器的頂部擱置在支撐框架的大梁上，反應器底部設置限位點，承托式反應器的底部擱置在支撐框架的大梁上，在反應器上部設置限位點防止反應器發生傾覆。對于支撐框架來說兩種布置方式最大的區別是荷載作用位置的不同，反應器本體荷載通常較大，懸掛式的荷載作用點較高，對框架設計不利，本文中反應器采用承托式方式，在框架的34.6 m標高設置承托大梁，在42 m標高設置水平限位裝置，反應器支架平面布置圖見圖1，立面布置圖見圖2。

3 SAP2000結構建模

反應器支撐框架為鋼框架支撐體系，在SAP2000中采用殼單元模擬反應器殼體，梁單元模擬框架和支撐，支撐兩端釋放彎矩。反應器本體采用多層框架結構，四周布置加勁，本體底層的大梁布置在框架大梁上，以底層大梁為基礎設置框架結構，催化劑平臺的框架層布置水平支撐，上煙道為本體的框架延伸上去，煙道頂面布置加勁，立面布置2道豎向桁架增加煙道上殼的剛度。下煙道為倉筒結構掛在底層大梁下部，在殼體外側設置水平和豎向的加勁體系，殼體內側設置水平支撐體系，反應器與框架整體模型見圖3，三維模型見圖4。

4 荷載分析

根據建筑結構規范和工藝資料，反應器荷載主要包括永久荷載和可變荷載，永久荷載包括結構自重、保溫材料重量和催化劑平臺格柵板重量，可變荷載主要包括催化劑重量，檢修荷載，風載，風機負壓以及溫度作用。

5 溫度工況考慮

反應器工作溫度為300 ℃，設計溫度為320 ℃，在高溫工況下鋼結構彈性模量和剛度都有較大變化，根據《煙囪設計規范》Q345B在320 ℃工況下材料彈性模量折減系數可取0.84，彈性模量折減為168e3 MPa，材料強度折減系數可取0.76，強度折減為235 MPa；鋼板參考《鋼制焊接常壓容器》，在320℃工況下許用應力為149 MPa。為釋放溫度變形，避免反應器出現較大溫度應力，反應器與支撐大梁之間采用滑動支座，在SAP2000中將底板大梁兩端M2，M3，T釋放近似模擬，保留V2，V3和P耦合。

6 計算結果

在1.0恒+1.0活工況下，催化劑平臺，上煙道，下煙道跨中撓度分別為22 mm，15 mm和23 mm，撓度跨度比分別為1/636，1/933和1/608，均小于鋼結構規范1/400的規定。利用SAP2000鋼結構設計功能，對截面進行驗算，反應器框架和加勁的應力比如圖5所示，所有的框架和加勁應力比均在強度允許范圍內，其中框架底層邊柱應力比超過0.7，在設計中可適當考慮增大底層柱截面，減小上部柱截面，底層大梁的中間梁應力比邊梁低，設計時可適當減小中間梁截面尺寸。

由于脫銷反應器底部設置了滑動支座，在實際工作過程中反應器在高溫工況下可以自由變形，因此溫度應力得到釋放，考慮1.2恒+1.4活荷載作用下反應器殼體的應力如圖6所示；可以看出殼體最大應力為90 MPa，小于殼體許用應力149 MPa，殼體在框架和加勁附近應力符號發生突變，說明有限元分析的合理性。

7 總結與展望

采用SAP2000可以比較準確的獲得脫銷反應器結構在各種工況下的變形以及殼體的應力云圖，同時可利用其鋼結構設計功能，對反應器結構的截面進行校核，為后續鋼結構設計提供可靠依據。同時本文對反映器滑動支座僅采用梁端彎矩與扭矩釋放模擬，不能正確反映出結構的實際情況，在溫度作用下支座處會產生滑動靜摩擦力；反應器對框架而言是荷載，而非對框架結構提供剛度，在地震作用下反應器是否反生較大傾覆從而對框架產生沖擊荷載，這些都需要進一步精確分析。

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