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浙江不銹鋼管廠除塵風(fēng)管抗風(fēng)安全校核考核情況

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-10-17 23:26:02 人氣:1296

至德鋼業(yè)以浙江不銹鋼管廠內(nèi)除塵風(fēng)管為例,圍繞架空不銹鋼管道的抗臺(tái)風(fēng)安全性展開(kāi)校核。采用CAE應(yīng)力分析計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算兩種方法,考慮風(fēng)向?yàn)榇怪毕蛳隆⑺綑M向和垂直向上三種工況進(jìn)行安全校核計(jì)算,算例結(jié)果可為該鋼廠管道抗風(fēng)安保措施提出參考意見(jiàn)。在浙江省溫州市龍灣區(qū)不銹鋼管廠地處北回歸線以南的低緯地區(qū),當(dāng)?shù)氐蛪?、熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)影響頻繁,夏季平均風(fēng)速3.1m/s,冬季平均風(fēng)速4.3m/s,歷史最大風(fēng)速26.7m/s,基本風(fēng)壓86.7kg/m2。鋼廠內(nèi)存在大量架空管道,特別是除塵風(fēng)管,其管徑大、架空高、跨距大、管系復(fù)雜,為確保這些管道的可靠性,提高管道的抗臺(tái)風(fēng)安全性,有必要對(duì)室外架空除塵風(fēng)管進(jìn)行抗風(fēng)校核計(jì)算。綜合性鋼廠涵蓋原料場(chǎng)、焦化、燒結(jié)、石灰、煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等眾多工藝單元,本文選取臨近海岸、地形開(kāi)敞的原料場(chǎng)單元中具有代表性的不銹鋼管道區(qū)段開(kāi)展核算。


一、校核計(jì)算方法


 各行業(yè)、各專業(yè)對(duì)不銹鋼管道的抗風(fēng)設(shè)計(jì)、校核的重視程度不盡相同,有的對(duì)建設(shè)地是否因氣候條件而需考量抗風(fēng)還缺乏敏感性。目前,針對(duì)不銹鋼管道的抗風(fēng)設(shè)計(jì)、校核尚無(wú)專門的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn),與其關(guān)聯(lián)的術(shù)語(yǔ)、定義、算法、驗(yàn)證點(diǎn)分散在鋼結(jié)構(gòu)、建筑荷載、海岸設(shè)施、工業(yè)管道等規(guī)范或設(shè)計(jì)手冊(cè)中,在形成明確合理的體系前,其思路和計(jì)算具有試探性、經(jīng)驗(yàn)性、多樣性等特點(diǎn)。結(jié)合該鋼廠所在地區(qū)的氣候條件,本次計(jì)算采用較不利的情況進(jìn)行校核,以確保管系有足夠的安全性。


 不銹鋼管系的抗風(fēng)校核包括兩部分:


 1. 是不銹鋼管道本身的強(qiáng)度可抵御該地區(qū)臺(tái)風(fēng)的影響以防形變和破壞;


 2. 不銹鋼管道與支承結(jié)構(gòu)的配合能防止臺(tái)風(fēng)時(shí)管道從管托處滑脫。本文主要論述管系校核,支承結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全性暫不討論。


 不銹鋼管道抗風(fēng)校核采用CAE應(yīng)力分析計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算兩種方法,從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮管系的安全性:


 1. 考慮風(fēng)向垂直向下,與不銹鋼管道自重、積灰荷載耦合計(jì)算,校核管道的強(qiáng)度、剛度是否滿足要求,管道支架的跨距是否合理;


 2. 考慮風(fēng)向水平橫向,與不銹鋼管道自重(不計(jì)灰重)耦合計(jì)算,校核管道和管托接觸面的應(yīng)力是否滿足要求;


 3. 考慮風(fēng)向垂直向上,與不銹鋼管道自重(不計(jì)灰重)耦合計(jì)算,校核管道是否被風(fēng)力頂升。


二、典型算例


 1. 分析內(nèi)容與計(jì)算環(huán)境


 考慮在重力、風(fēng)荷載等自身及外加作用條件下,對(duì)不銹鋼管道的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核。分析軟件采用通用有限元軟件ANSYS,硬件采用信息中心Z800高性能計(jì)算機(jī)。


  2. 管道布置與基本信息


 原料場(chǎng)單元某除塵系統(tǒng),其南向外線管徑Φ1250mm×6mm、長(zhǎng)160m、架高7.38m,支架平均跨距13.3m。在由北向南跨越公路處實(shí)際跨距最大,達(dá)到24.80m。不銹鋼管道用途為環(huán)境除塵用風(fēng)管;管內(nèi)介質(zhì)為含塵空氣(鐵礦、焦炭、煤、雜礦等粉塵);介質(zhì)溫度為常溫;介質(zhì)壓力比大氣壓略低,-6000Pa以內(nèi);介質(zhì)流速為15~25m/s;管道壁厚見(jiàn)表。管內(nèi)積灰量:當(dāng)管道直徑D≤1500,積灰高度按管道直徑的1/5計(jì)算,當(dāng)管道直徑D>1500,積灰高度按管道直徑的1/10計(jì)算?;叶逊e密度為1500kg/m3。支架形式為導(dǎo)向支架,管道與管托間無(wú)焊接,管托與支架頂面焊接;管托角度為120°,即與管道1/3周長(zhǎng)貼合。


 3. 管道建模


 以AutoCAD二維DWG圖紙為基本原型,采用ANSYSWorkbench協(xié)同仿真平臺(tái)的DesignModeler模塊軟件構(gòu)建管道本體及管托的三維模型,再采用Meshing模塊軟件進(jìn)行三維模型網(wǎng)格劃分,并符合信息中心《流體仿真規(guī)范》提出的網(wǎng)格質(zhì)量要求,從而使三維模型離散成由多種有限單元組成的計(jì)算模型。管道二維原型平面見(jiàn)圖,管道三維模型分見(jiàn)圖。


 4. 不銹鋼管道材料、邊界以及荷載


  a. 管道材料


  除塵風(fēng)管為鋼板卷制焊管,Q235B是國(guó)內(nèi)常見(jiàn)、經(jīng)濟(jì)的碳素鋼板,使用溫度下限為0℃,因其伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度適中、韌性和鑄造性良好、易于沖壓和焊接而廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)件的制作。管材參數(shù)見(jiàn)表。


 b. 邊界條件。


 按除塵風(fēng)管的實(shí)際敷設(shè)情況,為便于計(jì)算,視區(qū)段管道的兩端節(jié)點(diǎn)為固定約束,即該節(jié)點(diǎn)在空間六向上不能移動(dòng),管道沿途的12個(gè)支承管托的底板與支架頂面焊接視為固定面,而管托的弧板與管道外表不焊接視為非固定導(dǎo)向滑動(dòng)面,并允許管道在弧面上切向(橫向)錯(cuò)動(dòng)。管道兩端固定節(jié)點(diǎn)、管道沿途導(dǎo)向支點(diǎn)分別見(jiàn)圖。


 c. 荷載種類  


    ①. 管道自重,算例中除塵風(fēng)管規(guī)格為Φ1250mm×6mm,其延米質(zhì)量為184.1kg/m。

 

    ②. 積灰荷載,除塵風(fēng)管內(nèi)流轉(zhuǎn)介質(zhì)為含塵空氣,含塵濃度為0.5~10g/m3不等,管徑取定一般考慮流速不小于攜塵最低風(fēng)速(例如礦物粉塵,14~16m/s),但實(shí)際運(yùn)行中總有少量粉塵沉降于管底,而除塵風(fēng)管清掃周期較長(zhǎng),靠近抽風(fēng)末端側(cè)的管內(nèi)積灰高度可能達(dá)到1/5直徑。隨著支管逐漸匯集為枝狀管系,考慮管材經(jīng)濟(jì)性,靠近設(shè)備側(cè)的管道流速也逐步提高,在除塵器入口前可達(dá)20~22m/s,管內(nèi)粉塵沉降幾率進(jìn)一步下降,清灰間隔內(nèi)積灰高度可能達(dá)到1/10直徑。Φ1250管道按1/5直徑考慮積灰高度,折合積灰面積約管道橫截面積的14.3%,其延米重量為442.3kg/m(粉塵堆積密度按1500kg/m3)。


    ③. 風(fēng)荷載,即空氣流動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力,其大小與風(fēng)速的平方成正比,與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度及結(jié)構(gòu)體型等因素有關(guān)。該鋼廠所在濱海地區(qū)的基本風(fēng)壓為0.867kN/m2,所處地塊地形平坦,地面粗糙度為海岸地區(qū)A類,管道距地面高度7.38m,查表并按插值法計(jì)算風(fēng)壓高度變化系數(shù)。


 d. 荷載工況


   ①. 工況一


      當(dāng)風(fēng)由上垂直向下吹襲不銹鋼管道時(shí),管道自重、積灰荷載和風(fēng)荷載同向耦合疊加,對(duì)管道產(chǎn)生較不利影響,該工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)于分析管道強(qiáng)度和剛度具有指針性。管道及支承分布如能應(yīng)對(duì)此種風(fēng)力影響,就可推定管道自身不會(huì)出現(xiàn)形變或破壞,滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用和生產(chǎn)使用要求。

 

  ②. 工況二


    當(dāng)風(fēng)水平橫向吹襲不銹鋼管道時(shí),管道有沿管托弧板切向(橫向)錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì),若不考慮積灰荷載僅計(jì)入管道自重,此趨勢(shì)會(huì)更加明顯。該工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)于分析管道及支承分布的自持力和穩(wěn)定性具有代表性。管道及支承分布如能應(yīng)對(duì)此種風(fēng)力影響,就可推定管道就不會(huì)從管托中滑脫,不銹鋼管道也不會(huì)形變或破壞,管道安全性進(jìn)一步提高。


  ③. 工況三


    當(dāng)風(fēng)由下垂直向上吹襲不銹鋼管道時(shí),管道有被風(fēng)力頂起上升并脫離管托的趨勢(shì),如不考慮積灰荷載僅考量管道自重,隨管徑和壁厚減小此趨勢(shì)會(huì)愈加明顯,該工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)于分析管道與支承分布間是否設(shè)置抱持構(gòu)件具有指導(dǎo)意義。管道脫離管托是一種隱患,在風(fēng)向驟變后可能導(dǎo)致不銹鋼管道滑脫或鄰近支架過(guò)載,影響管系安全。


 e. 校核結(jié)果


  荷載工況一和工況二采用CAE應(yīng)力分析計(jì)算對(duì)前述有限元模型仿真模擬,荷載工況三采用傳統(tǒng)計(jì)算并用比較法進(jìn)行推定。

 

  ①. 工況一結(jié)果


   工況一管道位移分布、工況一管道應(yīng)力分布、工況一管道于管托區(qū)域應(yīng)力分布分別見(jiàn)圖。計(jì)算結(jié)果表明,在荷載工況一條件下,管道最大位移為21.96mm,位于24.80m跨中間下部,跨間管道撓度f(wàn)=21.96/24800=1/1129,小于撓度推薦限值1/600;管道最大應(yīng)力為53.70MPa,小于材料許用應(yīng)力113MPa。管道受強(qiáng)風(fēng)吹襲不會(huì)發(fā)生形變或破壞,管系安全。若管道撓度過(guò)大或應(yīng)力超過(guò)許用值,則應(yīng)在適宜位置處增設(shè)支承構(gòu)件。

 

 ②. 工況二結(jié)果


   工況二管道位移分布、工況二管道應(yīng)力分布、工況二管道于管托區(qū)域應(yīng)力分布分別見(jiàn)圖。計(jì)算結(jié)果表明,在荷載工況二條件下,不銹鋼管道最大位移為7.08mm,位于24.80m跨中間側(cè)部,跨間管道撓度f(wàn)=7.08/24800=1/3502,小于撓度推薦限值1/600;管道最大應(yīng)力為32.08MPa,小于材料許用應(yīng)力113MPa。管道受強(qiáng)風(fēng)吹襲不會(huì)從管托中滑脫,管系安全。

 

  ③. 工況三結(jié)果


   室外除塵風(fēng)管的立面敷設(shè)區(qū)間一般為距地6.5~22.5m,主體通常距地15m以下。設(shè)定不銹鋼管道平均高度為15m,分列計(jì)算各特征管徑所承受的強(qiáng)風(fēng)影響。管道自重與風(fēng)荷載比率見(jiàn)表。計(jì)算結(jié)果表明,在風(fēng)垂直向上且管內(nèi)無(wú)積灰或積灰很少(例如管道新裝或清灰后)工況條件下,Φ500及以下管道的自重?zé)o法抵御強(qiáng)風(fēng)頂升,Φ800管道的自重與風(fēng)力幾近持平,Φ1500以上管道的自重有充分裕量壓制風(fēng)力。為消除管系安全隱患,對(duì)位于室外的Φ1500及以下管道在支架處增設(shè)∩形抱持構(gòu)件。


三、結(jié)論


 相對(duì)于實(shí)際環(huán)境中風(fēng)的復(fù)雜流動(dòng)情況,本文圍繞簡(jiǎn)化的、趨于保守的3種荷載工況對(duì)管道開(kāi)展CAE仿真模擬計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算,從不銹鋼管道是否形變、破壞及滑脫等角度對(duì)管系抗風(fēng)能力進(jìn)行校核,通過(guò)比對(duì)計(jì)算結(jié)果和界定值,推定管系在臺(tái)風(fēng)天氣下能否安全運(yùn)行,并提出如何消弭可能存在的隱患的方法。在一些浙江不銹鋼管廠數(shù)個(gè)單元參照此思路展開(kāi)抗臺(tái)風(fēng)安全性核查,結(jié)果表明大部分管道滿足運(yùn)行要求,局部計(jì)算數(shù)據(jù)超過(guò)界定值的管道采取相應(yīng)的補(bǔ)充措施。時(shí)隔數(shù)月,浙江不銹鋼管廠遭遇15級(jí)臺(tái)風(fēng)直接侵襲,多處高聳廠房和大型設(shè)備受損,而前述已校核單元的除塵風(fēng)管經(jīng)受住臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)。由此可見(jiàn),強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目有必要開(kāi)展抗風(fēng)校核。


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