浅谈某大型裂解炉钢结构框架设计

冯丙阳

中国石化工程建设有限公司 北京 100010

1 引言

近年来，随着国内百万吨乙烯装置的迅猛发展，裂解炉设备也朝着越来越大型化的方向发展，因此，优化裂解炉钢结构框架设计对保证乙烯装置结构的安全性和经济性具有重要的现实意义。目前，有关乙烯裂解炉钢结构框架的研究大多集中于框架局部的研究，对钢结构框架的整体设计研究较少，例如：陈春[1]对裂解炉炉壁板等效为拉压斜杆进行分析，推导了等效杆件截面面积公式；姜炳阳[2]基于工程经验，探讨了裂解炉炉底钢柱的设计方法；施慕桓[3]利用结构设计软件研究了裂解炉钢结构改造加固方法。

基于前人在相关方面的研究成果，为完成裂解炉钢结构框架的整体设计，本文以某100万吨/年乙烯工程裂解炉项目为工程实例，利用结构设计软件STAAD.Pro V8i完成了钢结构框架的结构设计工作，以期为后来类似工作提供指导。

2 工程概况

某100万吨/年乙烯裂解炉，采用美国Technip SW的专利工艺包，包括重油炉2台、轻油炉5台和气体炉1台，每台裂解炉采用的是双辐射炉膛，单对流室位于顶部的结构。本文以重油炉F-110为例介绍裂解炉钢结构框架设计。

2.1 结构形式及设计方案

裂解炉框架横向3跨，纵向9跨，长32米，宽11.77米，高51.3米，共11层。各层框架布置在炉本体外围，结构采用铰接柱脚，框架外非炉本体部分均设连续竖向支撑。框架构件连接采用焊接，考虑到设备安装及检修，部分构件连接节点采用栓接。

2.2 主要自然条件

基本风压值：W0= 0.75kN/m2（地面粗糙度：A类）

场地土类别：Ⅱ类

抗震设防烈度：7 度（0.13g，αmax=0.117），第一组，Tg=0.40s

3 钢结构设计

3.1 结构计算模型

根据炉本体及设备布置，按照结构设计方案建立STAAD.Pro模型，同常见钢结构框架相比，裂解炉框架主要有三部分不同：

（1）炉壁板

裂解炉炉壁板是由工字钢、槽钢或角钢形成钢骨架，再铺设钢板，钢板和钢骨架采用焊接组成的。因此，炉壁板不仅传递外加垂直荷载到框架柱上，而且还主要承受水平地震作用和风荷载作用。所以，准确模拟炉壁板对钢结构框架的影响对钢结构设计的合理性具有重要的影响。本计算模型建立四节点板单元模拟炉壁板，炉壁板厚度取6mm，在炉本体部分形成钢板剪力墙结构，整体模型如图1所示。

结构模型已考虑炉本体荷载（约155t），，结构分析时重新定义炉壁板材料属性，忽略炉本体自重。这样既考虑炉壁板的刚度又消除了炉壁板对设备自重的影响。

（2）框架柱底加强

裂解炉炉体刚度大，在炉底存在刚度突变，因炉底燃烧器布置要求，炉底部分钢柱之间无法设置连续的竖向柱间支撑来提高整体刚度，为提高炉底柱刚度，本项目用闭口组合截面钢柱结构解决上述技术问题。闭口组合截面钢柱由H型钢柱和平行于H型钢柱腹板方向的两块加强钢板形成组合截面，同时在钢柱强轴方向贴板增强钢柱强轴方向抗弯刚度，并与柱脚底板焊接.

（3）框架柱变截面设计

对于底部双辐射炉膛，顶部单对流室的裂解炉，上部钢结构框架柱不存在刚度突变，且承受荷载较小，出于经济性考虑，本项目上部钢框架柱进行变截面拼接设计，将截面HW400X400、HW350X350柱变为HW300X300截面，既减小了钢结构自重荷载有大大节省了钢材。

3.2 风荷载计算

裂解炉钢框架的恒（活）荷载、地震荷载、设备荷载、管道荷载等同一般框架类似，在此不再赘述。本节主要对框架风荷载进行分析计算。

根据挡风面积的不同，本项目将裂解炉钢结构框架风荷载的计算分成三部分，分别是：考虑双管效应的辐射段部分、钢框架+设备的对流段部分和开敞式钢框架部分，具体详见图2.

图2 风荷载计算

（1）独立墙壁+前后双管

裂解炉辐射段部分，将辐射段部分等效为墙壁，依据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》规定：独立墙壁及围墙的体型系数为1.3.裂解炉辐射段有两个炉膛，形成“前后双管”形式。参照《荷规》表8.3.1第38项，基于辐射段双炉膛结构，应考虑前后双管效应对墙壁体型系数的影响：

按照插值法，前后双管效应的体型系数μs=0.875，因为前后双管体型系数的基础值为0.6，所以体型系数的放大系数为：

综上，裂解炉辐射段部分的体型系数应将墙壁体型系数乘以放大系数1.4581.

（2）开敞式钢框架+设备

裂解炉对流段部分，对流段相当于一个大型设备安装在裂解炉钢框架中，考虑到炉壁板相当于独立墙壁，故将此部分进行等效处理，等效成独立墙壁承担风荷载，因此，该部分体型系数直接取1.3.

（3）开敞式钢框架

顶部钢框架部分，通过统计钢框架构件挡风面积，考虑多榀效应求取钢框架的整体体型系数.

将裂解炉钢结构框架风荷载分成上述三部分考虑，并依据《荷规》风荷载计算公式：F=βzμzω0Ae，计算所得的每层风荷载详见下表1。

表1 框架顺风向风荷载（kN）

3.3 结构计算控制指标

（1）框架柱位移限值

依据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）和《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定，对于钢框架柱位移限值为：风荷载标准值作用下，柱顶位移容许值为H/500，层间相对位移容许值为h/400；多遇地震作用下，弹性层间位移角容许值为1/250。

（2）梁挠度限值

依据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）规定，对钢结构梁挠度限值为：框架梁和设备支撑梁容许值取L/400；次梁挠度容许值取L/250

（3）各类构件最大允许长细比

依据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）和《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）分别对框架柱、支撑构件等设置长细比容许值。

3.4 结构计算结果

（1）强度校核

提取结构模型应力比计算结果，所有构件应力比值均可用。选取典型断面应力比值如图5所示。

图5 对流段应力比

（2）位移校核

① 结构顶点最大位移

风荷载标准值作用下，框架H=51.3m高度处柱顶点的最大水平位移为Dmax=64.833mm，Dmax/H=64.833/51.3/1000=1/791〈1/500，满足规范要求。

② 层间最大相对位移

风荷载标准值作用下，框架层间最大相对位移为dmax=4.117mm，对应层间高度为h=4m，则，dmax/h=4.117/4/1000=1/971〈1/400，满足规范要求。

4 结论

本文以笔者参与的某100万吨/年乙烯裂解炉项目为工程实例，利用结构计算软件STAAD.Pro完成了大型裂解炉钢结构框架的整体设计，主要得出以下结论：

（1）STAAD.Pro模型中以板单元模拟炉壁板，考虑炉壁板刚度对框架的影响，同时对炉壁板赋予低密度材料属性，防止炉壁板自重造成荷载重复计算。

（2）提出闭口组合截面钢柱结构解决炉底处刚度突变的技术方案，防止出现“胖柱”现象；对于上部荷载较小的部分，提出钢柱变截面设计，既降低了钢结构自重，又大大节省了钢材。

（3）基于炉本体“双辐射炉膛，单对流室”结构形式，依据体型系数取值不同，将裂解炉钢结构框架的风荷载计算分三部分，保证了设计的合理性。