圆筒型管式炉钢结构设计Word.docx

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1总则

1.0.1本标准适用于石油化工新建圆筒形（包括对流辐射型，纯辐射型圆筒炉和炉顶烟囱，以及余热回收系统）管式炉的钢结构设计与计算（图1.0.1-1，图1.0.1-2），改建和扩建的圆筒形管式炉可参照执行。

1.0.2执行本标准时，尚应符合现行有关标准和规范的要求。

1.0.3本标准代替原《圆筒形加热炉钢结构设计》（BA9-1-7-86）工程设计标准。

图1.0.1-1对流辐射型圆筒炉

图1.0.1-2纯辐射型圆筒炉

2设计原则与设计顺序

2.1设计原则

2.1.1根据炉管等布置的要求和自然气象条件的要求，确定合理的结构方案，使钢结构构件充分发挥结构功能，并应满足结构构造要求；满足结构在运输安装中的强度、钢度要求，此外，尚应考虑余热回收系统的设计与计算。

2.1.2圆筒炉筒体直径等于大于4m时，应采用有立柱的筒体结构，立柱的根数应为偶数，相邻两立柱之间的筒体外壁弧长应为1.6～2.7m，立柱截面的长细比不应大于150。

2.1.3筒体直径大于4m，筒体上边对流室框架高度大于4m，且筒体壁厚较薄时，筒体上、下口环梁宜为矩形空腹组合截面。

2.1.4筒体中间环梁上、下间距宜为2～3m。

2.1.5有立柱的筒体，筒体壁厚不应小于4.5mm；无立柱的筒体壁厚不应小于6mm。

2.1.6对流室钢结构，先用持力斜撑承重时，（图2.1.6）斜撑与竖向或水平杆之间的夹角宜为30°～60°。

2.1.7对流室立柱截面的长细比不应大于135；底大梁的最大挠度不应大于L/450（L-对流室底大梁的跨度）；支承烟囱的顶大梁的最大挠度不应大于L/400（L-顶大梁的跨度）。

2.1.8对流室侧面（沿对流炉管长度方向）桁架宜避开吹灰器布置的方位。

2.1.9对流室侧向横梁间距宜为2.5～5m。

2.1.10对流室顶部烟囱采用插入式连接时，在对流室顶面应设置平行顶平面的斜支撑。

2.1.11顶部烟囱的高径比不应大于20，当下部带有圆锥段时，圆锥段的底圆直径一般可取烟囱直径的1.5～1.8倍，锥顶角不应大于60°；当下部带有天圆地方段时，天圆地方段相对壁板的交角不应大于60°；烟囱壁板厚不应小于6mm。

图2.1.6带持力斜撑的对流室

2.1.12炉顶烟囱的底座连接，当采用法兰形式时，连接螺栓不应小于M16，螺栓间距不应大于250mm（图2.1.12（a））；当采用高台底座形式时，连接螺栓不应小于M24，螺栓数量不应少于8个（图2.1.12（b））。

2.1.13炉底柱采用工字钢时，其规格不应小于工20a；采用双槽钢组合截面时，其规格不应小于[16a。

2.1.14柱脚底板厚度不应小于14mm，当为高台底座（图2.1.14）的柱脚时，高台底座的盖板厚度不应小于16mm。

（a）法兰形式（b）高台底座形式

图2.1.12炉顶烟囱连接形式

2.1.15地脚螺栓不应小于M24，对于轴心受拉柱的柱脚，每根立柱的地脚螺栓不应少于2个；对于偏心受压柱的柱脚，每根立柱的地脚螺栓不应少于4个，地脚螺栓采用双螺母固定。

图2.1.14柱脚形式

2.2设计顺序

2.2.1选材，钢结构选材应符合下列要求：

a）当建厂区域冬季计算温度等于低于-20℃时，应采用Q235-B钢或16Mn钢；当建厂区域温度高于-20℃时，应选用Q235-B.F钢；

注：

冬季计算温度应按国家现行《采暖通风和空气调节设计规范》中规定的冬季空气调节室外计算温度确定（见BA9-1-6-96）附录E。

b）焊接用焊条，焊丝应符合现行标准《碳钢焊条》、《低合金钢焊条》和《焊接用焊丝》的规定，所选择的型号应与母材金属强度相适应；

c）采用普通螺栓连接时，材质应符合现行标准《碳素结构钢》中规定的Q235-B钢；采用高强度螺栓连接时，材质应符合现行标准《钢结构用高强度大六角头螺栓，大六角头螺母，垫圈型式与技术条件》中的规定。

2.2.2设计指标，本标准采用容许应力法设计.

a）钢材的容许应力值、焊缝的容许应力值和普通螺栓连接的容许应力值，应分别按《石油化工管式炉钢结构设计规范》"SH3070-95"中的表3.22、表3.23和表3.24选用；

b）摩擦型高强度螺栓连接的设计要求，应符合《石油化工管式炉钢结构设计规范》"SH3070-95"中的表6.3.1-1和表6.3.1-2的规定。

2.2.3荷载分类及其效应组合应按《管式炉钢结构设计荷载确定》（BA9-1-5-96）的有关规定执行.

2.2.4荷载或作用的分布，是把不同的质量或作用，简化成不同的荷载，在进行简化时，应力求与实际质量分布相接近，下面以对流辐射型圆筒炉为代表进行荷载划分。

a）永久荷载（恒载）宜采用表2.2.4的分类形式；

b）水平风荷载（图2.2.4），可按烟囱顶部，对流室顶部，辐射室顶部和炉底面四个作用部位划分。

水平风荷载标准值

"WK"应按《石油化工管式炉钢结构设计规范》（SH3070-95）中附录A的规定和《管式炉钢结构设计荷载确定》（BA9-1-96）中3.0.2.c）款的规定计算；

节点水平风荷载计算：

1）烟囱顶部水平风荷载

（2.2.4-1）

2）对流室顶部水平风荷载

（2.2.4-2）

3）辐射室顶部水平风荷载

（2.2.4-3）

4）炉底面水平风荷载

（2.2.4-4）

上列式中：

HW4烟囱顶部水平风荷载（Kn）；

W4烟囱计算段风荷载标准值（KN/m2）；

D3烟囱外径（m）

h4烟囱高度（m）

HW3对流室顶部水平风荷载（KN）；

W3对流室计算段风荷载标准值（KN/m2）；

LD对流室长边（m）；

h3对流室计算高度（m）；

hg平台栏杆高度（m），取为1.05；

Lp圆形（环形）平台最外圆计算直径（m）；

HW2辐射室顶部水平风荷载（KN）；

W2辐射室计算段风荷载标准值（KN/m2）；

D2辐射室筒体外径（m）；

h2辐射室筒体外径（m）；

HW1炉底面部位水平风荷载（KN）；

W1炉底柱计算段风荷载标准值（KN/m2）；

h1炉底柱计算高度（m）。

表2.2.4永久荷载和活荷载数据表

序号

符号

单位

荷载内容

备注

1

Q1

N

烟囱钢结构荷载

2

Q2

N

烟囱衬里荷载

3

Q3

N

对流室钢结构荷载

4

Q4

N

对流室衬里荷载

5

Q5

N

对流炉管荷载

6

Q6

N

辐射室炉顶钢结构和衬里荷载

7

Q7

N

辐射室钢结构荷载

8

Q8

N

辐射室炉衬结构荷载

9

Q9

N

辐射炉管荷载

10

Q10

N

炉底钢结构荷载

11

Q11

N

炉底衬里或砖荷载

12

q12

KN/m2

检修活荷载

13

q13

KN/m2

平台活荷载

14

q14

KN/m2

安装活荷载

图2.2.4水平荷载示意

c）水平地震作用同水平风荷载的划分原则（图2.2.4），对于对流辐射型圆筒炉，绝大多数为弯剪振型结构、计算水平地震作用时，应采用振型分解反应谱法。

水平地震作用计算见《管式炉钢结构设计荷载确定》（BA9-1-5-96）的有关公式；

节点水平地震作用由下列公式计算：

1）烟囱顶部水平地震作用

（2.2.4-5）

2）对流室顶部水平地震作用

（2.2.4-6）

3）辐射室顶部水平地震作用

（2.2.4-7）

4）炉底面部位

（2.2.4-8）

上列式中：

Fj4j振型在烟囱顶部的水平地震作用（KN）

Kz综合影响系数Kz=0.45

（见BA9-1-5-963.0.2-e）

αj相应于j振型的自振周期的地震影响系数，

（见BA9-1-5-96图3.0.2-1）

rjj振型的振型参与系数

Xj4j振型节点4（烟囱顶部）的水平相对位移；

m4～m1分别为作用于烟囱顶部，对流室顶部，

辐射室顶部和炉底面上的质量（t），

（见BA9-1-5-96中的表A.0.2-2）；

g重力加速度（m/s2），取为9.81；

Xj3j振型节点3（对流室顶部）的水平相对位移；

Xj2j振型节点2（辐射顶部）的水平相位移；

Xj4j振型节点1（炉底面上）的水平相对位移。

5）水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴向力）按下式组合：

（2.2.4-9）

式中：

SH水平地震作用效应组合值；

Sjj振型水平地震作用效应，通常取前两个振型的水平地震作用效应即能满足设计要求.

d）水平风荷载效应与水平地震作用效应组合，风荷载效应的组合系数取25%，水平地震作用效应取100%；

e）水平地震作用效应不考虑与活荷载效应组合，在发生地震时，活荷载存在的机遇很少，且活荷载占永久荷载的比重也很小。

2.2.5确定各个部位结构之间的刚度关系和杆件布置，以便进行内力分析。

3内力分析（杆件弯矩、轴力和剪力计算）

3.1烟囱的内力与应力计算

3.1.1永久荷载（恒载）产生的轴向力（压力）：

ND=Q1+Q2+2QL（3.1.1）

3.1.2由水平风荷载或由水平地震作用加25%水平风荷载，或由检修中的辐射炉管产生的弯矩：

MD=M3+M2（3.1.2）

式中：

ND轴向力（压力）（N）；

Q1，Q2烟囱自重和烟囱衬里重（N），见表2.2.4；

QL单根辐射炉管自重（N）；

M3作用于烟囱底座上的弯矩（Nm）；

M2被检修吊起的两根辐射炉管荷载（N），（不含充水荷载）在烟囱底座产生的附加弯矩（Nm）；

3.1.3当按水平地震作用加25%水平风荷载，计算烟囱底座的底脚螺栓时，其荷载效应应乘以2.0的效应增大系数。

3.1.4应力计算

a）筒壁为压弯构件，正应力按下式计算：

（3.1.4-1）

b）稳定应力计算

（3.1.4-2）

上列式中：

σ计算正应力（MPa）；

AD计算段的净截面积（mm2）；

WD计算段内净截面积抵抗矩（mm2）

E临界容许应力（MPa）；

E弹性模量（N/mm2）；

0减去腐蚀裕度的筒体厚度（等于实际壁厚减去（～2mm）（mm）；

R筒体中心圆半径（mm）。

3.1.5烟囱底环，宜采用角钢或槽钢或环板制作，其肢板厚度不宜小于12mm。

3.2对流室结构

3.2.1对流室结构，垂直对流炉管轴线的方向（对流室短边）按刚架分析内力（图2.1.6）；平行对流炉管轴结的方向（对流室长边）一般按静定桁架分析内力。

荷载布置形式，应根据管板支承情况确定。

3.2.2当仅有两端管板时，荷载应由对流室两端框架的主立柱传递，当布置有持力斜撑时，宜由持力斜撑承担水平荷载。

当有中间管板时，应增设对流室中间立柱（立柱对称布置）该立柱应承担对流炉管的一半荷载。

此外，应根据垂直荷载和水平荷载的分布，布置持力斜撑，以改善对流室底大梁的受力情况。

3.2.3对流室顶部长边支承烟囱的大梁，梁端宜为固接，梁翼缘肢板上的烟囱底脚螺栓孔应符合表A.0.1～2的要求，当不能满足表A.10.1～2的要求时，应在上翼缘肢板上加焊贴板，贴板厚度不应小于8mm。

3.2.4表面钢板厚度不应小于4.5mm，也不应大于6mm。

3.2.5表面钢板外表面焊接，应采用密封焊缝，其内表面焊接可采用断续焊缝。

3.2.6对流室底大梁的两端支承宜为铰接连接，大梁的内力分析，可按桁架弦杆分析或按受弯构件计算，取其中内力较大者进行应力计算。

应力计算应按《石油化工管式炉钢结构设计规范》"SH3070-95"中的有关公式进行。

3.3辐射室结构

3.3.1有筒体柱的辐射室筒体，内力分析是计算筒体柱和筒体环梁的内力，筒体（厚度约为4.5mm）不考虑承受内力，作为强度储备，仅考虑连接作用。

3.3.2筒体柱计算，假定单根柱为两端铰接（整个筒体的环柱组应似为固接）按轴心受压杆分析，筒体柱的应力，按轴心受压杆的强度和稳定性计算，见《石油化工管式炉钢结构设计规范》"SH3070-95"中的公式（5.2.1）和（5.2.2）。

a）单根柱的轴向力由下式计算：

（3.3.2）

式中：

Nc单根柱承受的最大轴向力（N）；

N炉顶烟囱，对流室和辐射室的全部永久荷载和活荷载产生的垂直力（N）；

m筒体柱半数（根）；

M2由水平风荷载或水平地震作用加25%水平风荷载产生的弯矩（Nm）

Rs筒体外半径（m）。

3.3.3辐射室筒体顶部环梁或炉底顶部环梁计算：

a）若对流室立柱与辐射室立柱重合时，环梁可按构造设置；

b）若对流室立柱与辐射室立柱不重合，且在弧段内有一个偏心集中荷载时（由对流室室底大梁传递来的

），可将该集中荷载化为等代均布荷载进行近似计算（图3.3.3-1）。

等代均布荷载：

（3.3.3-1）

式中：

qsr等代均布荷载（N/m）；

K系数，

；

w对流室底大梁支承端距辐射室筒体在较近的弧长（m）；

s圆环梁弧长（m）；

Nb对流室底大梁梁端所承受的反力（N）；

图3.3.3-1圆环梁内力计算示意

等代环梁的内力同下列公式计算：

跨中弯距：

（3.3.3-2）

支座弯距：

最大扭矩：

（3.3.3-3）

上列式中：

Mo圆环梁跨中弯（Nm）

MA圆环梁支座弯距（Nm）

CoCFCK计算系数由表3.3.3-1查取

RDF圆环梁半径（m）

MK圆环梁最大扭矩（Nm）

表3.3.1-1圆弧梁弯距和扭矩系数

辐射室

中心角

弯矩系数

最大扭矩系数

立柱数

跨中弯矩系数Co

支座变跨系数CE

CK

4

/2

0.11

0.220

0.034

6

/3

0.047

-0.089

0.009

8

/4

0.026

-0.052

0.004

10

/5

0.019

-0.038

0.0025

12

/6

0.012

-0.023

0.001

16

/8

0.006

-0.012

0.0007

c）若对流室与与辐射立柱不重合，且在段内有两个对称集中荷载时（图3.3.3-2）圆环梁的固端弯距可按下式计算：

（3.3.3-4）

式中：

MaMa圆弧梁的固端弯距（Nm）；

K计算系数，按表3.3.3-2查取

图3.3.3-2圆环梁内力计算

表3.3.3-2承受两个对称集中荷载的弯距系数

柱根

K

数

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

4

45

-0.4434

-0.4373

-0.4191

-0.3890

-0.3478

-0.2955

-0.2336

-0.1629

-0.0846

0

6

30

-0.2784

-0.2702

-0.2458

-0.2057

-0.1505

-0.0815

0

8

22.5

-0.2030

-0.1932

-0.1622

-0.1113

-0.0415

0

10

18

-0.1609

-0.1482

-0.1104

-0.0484

12

15

-0.1331

-0.1181

-0.0734

0

14

12.875

-0.1138

-0.0964

-0.0448

16

11.25

-0.0991

-0.0794

-0.0206

18

10

-0.0879

-0.0658

0

3.3.4筒体中间环梁计算，筒体中间环梁按辐射室筒体环柱组整体稳定公式验算环梁截面，计算环柱组整体稳定的临界力公式如下：

（3.3.4-1）

（3.3.4-2）

（3.3.4-3）

（3.3.4-4）

上列式中：

PK筒体环柱组整体稳定临界力（N）；

Po环柱的稳定临界力（N）；

LrH筒体中间环梁的平均间距（m）；

Rrs筒体环柱中心圆半径（m）；

Ic筒体单根柱截面高度方向的惯性矩（m4）；

Ir筒体中间环梁截面高度方向的惯性矩（m4）；

Ik钢材抗扭惯性矩（m4）；

Ac筒体单根柱截面积（m2）；

hL筒体总度（m）；

n筒体环柱数（根）；

E钢材弹性模量E=206x103（N/mm2）；

G钢材剪切模量G=79x103（N/mm2）；

Qi除却炉底荷载（Q10-11）以外的对流辐射型圆筒炉的全部荷载，当辐射炉管为座管时，尚应减掉辐射炉管的荷载。

（N）；

系数。

筒体环梁的应力，应按《石油化工管式炉钢结构设计规范》"SH3070-95"中的公式（5.1.1-1）计算：

3.4炉底钢结构

3.4.1炉底板的支承横梁，搭焊在炉底筒体的内环梁上，按两端铰接梁计算内力（图3.4.1-1）。

a）炉底板厚度一般按构造要求处理，炉底板厚度应大于等于6mm。

b）支承炉底板的横梁或加强肋，均应避开炉底板孔.

3.4.2当炉底筒体直径大于5.6m时，应在炉底板中心设置中心柱，中心柱一般采用152x8的无缝钢管，中心柱的柱脚底板厚度约为14mm，采用4M24地脚螺栓固接在基础上。

1炉底筒体2炉底环梁3炉底梁4炉底环柱

5炉底中间柱6炉底板7燃烧器8直管环9辐射管

图3.4.1-1炉底构件布置

3.4.3炉底环柱计算，炉底环柱承受炉全部永久荷载和平台活荷载，所产生的轴向力，以及由水平风荷载或水平地震作用加25%水平风荷载产生的轴向压（拉）力和弯矩、剪力。

a）炉底环柱组承担的全部内力：

总轴向力

（3.4.3-1）

柱脚底总弯矩

（3.4.3-2）

柱脚底总剪力H0=H1+H2+H3+H4

（3.4.3-3）

上列式中：

No炉底全部永久荷载和全部活荷载产生的总轴向力（N）；

见表-1荷载数据表；

Mo炉底环组柱脚处总弯矩（Nm），由水平风荷载或由水平地震作用加25%水平风荷载产生；

H1H4分别为作用于烟囱顶部，对流室顶部，辐射室顶部和炉底面上的水平风荷载或同水平地震作用加25%水平风荷载产生水平荷（N）；

Lpbp分别为平台宽度中心处直径和平台宽度（m）；

h1分别为水平荷载作用点至柱脚板上表面的距离（m）；

q1平台活荷载（KN/m2）。

a）单根炉底柱承受的内力。

轴向力

（3.4.3-4）

剪力：

（3.4.3-5）

弯距（图3.4.3-1）

当为固接柱脚连接时，弯距为：

（3.4.3-6）

最大应力柱的中心线与全炉水平荷载作用方向之间的夹角""固接柱脚时，由下式计算：

（3.4.3-7）

（3.4.3-8）

当为铰接柱脚连接时，弯距为：

（3.4.3-9）

（3.4.3-10）

上列式中：

Rsc炉底环柱中心圆半径（m）；

Vx单根环柱在X方向的剪力（N）；

VY单根环柱在Y方向的剪力（N）；

Mx单根环柱在X方向的柱脚弯距（Nm）；

MY单根环柱在Y方向的柱脚弯距（Nm）；

h1环柱计算高度（m）；

最大应力柱中心线与全炉水平荷载作用方向之间的夹角（度）；

K.C计算系数；

Wx单根环柱在X方向的抵抗矩（mm3）；

Wy单根环柱在Y方向的抵抗矩（mm3）；

AC1单根环柱的计算截面积（mm2）；

单根环柱在X方向"a"处的弯距（Nm）；

单根环柱在Y方向"a"处的弯距（Nm）.

a）固接柱脚b）铰接柱脚

图3.4.3-1单根环柱弯跨示意图

3.4.4炉底柱的柱脚底板和地脚螺栓按《立式（箱式）炉钢结构设计》"BA9-1-6-95"中第3.3.3条的有关公式计算，但计算地脚螺栓时，上述公式（3.4.3-4）中的"

"项应取轴向拉力。

3.5纯辐射型圆筒炉

3.5.1对于纯辐射型圆筒炉，一般由辐射室筒体承重，筒体厚度约为6mm。

筒体壁板的强度和稳定应力，可按第3.4.1条中的公式（3.1.4-1）和（3.1.4-2）计算。

其他构件计算与对流辐射型圆筒炉相同。

3.6应力计算

3.6.1杆件截面应力，应按"SH3070-95"中的有关公式计算。

3.7基础计算数据

3.7.1根据炉结构内力分析结果，按以下格式（表3.7.1）和内容提供基础计算数据。

表3.7.1圆筒炉基础设计所需各项荷载及效应值

序

荷

载

作用在炉体柱脚的

荷载总值

作用在单根柱脚的

荷载值

中间柱

最大竖

基本

自振

备注

号

类

别

竖向力

（KN）

水平向

（KN）

弯矩

（KNm）

竖向力

（KN）

水平向

（KN）

弯矩

（KNm）

向荷载

（KN）

周期

（S）

1

竖向荷载

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

2

风荷载

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

3

地震作用

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

注：

①表内各项荷载的标准值乘以1.1的综合系数提供；

②竖向荷载包括炉体及炉架自重、配件重、炉管含充水重等。

附录A

A.0.1I字钢螺栓孔线距

图A.0.1

表A.0.1工字钢的螺栓距和接板尺寸

型号

线距和接板尺寸mm

可使用之孔径（mm）

a

k

hl

c

翼/腹

100684.5

36

14.2

51.4

40