裂解爐鋼結構改造方法的分析
施慕桓
（惠生工程（中國）有限公司，上海 201210）
摘要：隨著國家對石油化工裝置排放要求的不斷提高，需對裂解爐進行改造。在進行改造后的分析計算時，將后期改造產生的新增荷載單獨施加到結構上，通過分析新增荷載對結構產生的應力增量，來驗算改造后的裂解爐鋼框架，最終確定加固方案。
關鍵詞：裂解爐；鋼結構；改造；加固 DOI:10. 13206/j.gjg201604014
1概述
揚子-巴斯夫乙烯裝置于2005年建成投產，裝置規(guī)模為年產乙烯60萬t，共有10臺裂解爐，采用的是SS&W的工藝技術（USC型爐）。其中9臺為液體原料裂解爐( Hll0~H118)，1臺為循環(huán)氣體原料裂解爐( H130)。裝置在二期改擴建中增加1臺大型液體原料裂解爐( H109)，裝置年乙烯生產能力由60萬t提高到74萬t�，F(xiàn)H109裂解爐排煙溫度較高，達130℃以上，為了降低生產能耗，擬對H109進行節(jié)能改造，通過對對流段進行改造以降低排煙溫度、提高熱效率及超高壓蒸汽的產量。
節(jié)能改造包括兩個方面：
1)在原設計FPH -1段的上部增加一組模塊，共8排翅片管用以加熱原料。
2)在原設計FPH -2段的預留段新增8排換熱管。
其中對鋼結構有影響的內容包括：
1)原標高125. 072~128. 120 m預留模塊（FPH -2段）質量66 t，改造后，增加質量65 t，總質量為131 t。
2)新增標高132. 080~133. 580 m模塊(FPH -1段上部，不包括鋼結構)總質量為135 t。
3)新增模塊鋼結構總質量7.5 t。
4)改造的管道共需4個支撐點，每個點的豎向荷載為5 k N。
其余荷載如增加的支撐自重等，由于荷載較小，故不計入本次分析驗算中。該鋼結構改造的立面見圖1�？梢钥闯�，改造所造成的新增荷載達2 000 k N以上，必須對原有鋼結構進行分析驗算，并確定加固方案。
本文以揚巴H109爐對流段節(jié)能改造項目為例，成功將驗算方法應用在該項目改造中。并利用石油化工結構設計軟件STAAD. Pro V81對原有鋼結構進行驗算。
2 結構計算模型
首先按照原有竣工圖建立STAAD．Pro計算模型（圖2），再將新增荷載施加到H109爐整體模型上，對新增荷載進行一系列荷載組合，最后分析新增荷載對原有結構產生的新增應力比（不考慮原有構件自重），確認加固方案。
這種計算方案有以下兩個前提：
1)不考慮構件加固后對整體結構剛度的影響，這種影響對整體結構來說可以忽略不計。
2)增加荷載并加固結構后，各構件仍處于彈性階段。這樣一來，新增荷載產生的應力就可以與原有應力進行疊加。
3 結構計算結果
3.1 上部結構驗算
對流段改造的新增荷載集中在支撐對流段模塊的兩榀框架上，在這兩榀框架豎向傳力的過程中，過渡段的桁架和支撐桁架的端柱為主要受力構件。由于此兩榀框架對稱，因此圖3僅顯示出了其中一榀框架主要受力構件的應力比增量。
應力比增量超過0.1或接近0.1的構件需在對流段改造前進行加固。取此臨界值的原因在于，國外業(yè)主（例如巴斯夫）的項目，針對此類鋼結構構件，在設計時其應力比取值一般為0. 85~0.90，因此認為應力比增量不超過0.1的構件可以利用原有設計裕量。其他類型的鋼結構框架，此臨界值可以根據(jù)該行業(yè)在設計時應力比的一般取值來調整。
對支撐桁架的框架端柱，由于實際截面與計算截面存在差異（圖4），實際截面面積比計算截面面積大約36%，而框架柱增加的應力比不超過0.1，因此框架端柱不用加固。
支撐對流段的桁架端斜腹桿，同樣由于其實際截面與計算截面存在差異（圖5），實際截面面積比計算截面面積大約18%，而桁架端斜腹桿增加的應力比不超過0.1，因此桁架端斜腹桿不用加固。
其余應力比增量超過或接近0.1的構件，如桁架上、下弦和部分豎腹桿均需要加固。
3.2基礎驗算
荷載傳遞途徑如下：對流段改造的新增荷載通過桁架傳到4個端柱上，由于過渡段和輻射段側向的爐壁板剛度加大（跨度較�。�，因此隨著內力往下傳遞，支撐桁架的4個端柱逐漸將內力分到邊跨的框架柱上。主要傳力構件示意見圖6，從而得到最終的柱腳反力，柱腳編號見圖7，其反力值詳見表1。
由表1可以看出，兩邊跨8個框架柱的柱腳反力最大。原有H109爐鋼框架的基礎形式為樁筏，且至少一柱一樁。其原有單樁豎向承載力特征值為2 750 k N，最大豎向力增值為170 k N，占單樁豎向承載力特征值的6. 2%，可以不考慮基礎加固。如果基礎是其他形式，同樣可以根據(jù)計算出的柱腳力增值，對增值部分進行加固。
4 結束語
本驗算及加固方法可在未取得原有裝置荷載條件的情況下，針對改造中新增的荷載進行分析，確定加固方案。這種方法較之于傳統(tǒng)的加固驗算方法（即局部驗算），既可以保證結構的安全性，也可以省去收集以往設計輸入條件的時間，同時整個驗算過程有理有據(jù)，從而高效地完成了各種改造項目的驗算及分析。
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