基于SAP2000的脫硝反應(yīng)器鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

王 慶 楊

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

1 概述

脫硝反應(yīng)器作為脫硝系統(tǒng)的重要設(shè)備，從結(jié)構(gòu)上來說其作用主要是承載催化反應(yīng)試塊，形成封閉的空倉為脫硝反應(yīng)提供空間。脫硝反應(yīng)器通常具有荷載大，工作溫度高，結(jié)構(gòu)空間尺寸較大，工況復(fù)雜等特點(diǎn)，本文以某脫硝反應(yīng)器為實(shí)例，從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用大型有限元分析軟件SAP2000，對(duì)脫銷反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算分析，獲得其在各種工況下的內(nèi)力與變形，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)形式確定

根據(jù)工藝要求反應(yīng)器一般可分為進(jìn)口煙道、反應(yīng)器本體與下煙道三部分。反應(yīng)器本體放置催化劑，一般做成框架結(jié)構(gòu)，上下煙道根據(jù)尺寸與荷載可采用框架結(jié)構(gòu)或者倉筒加勁結(jié)構(gòu)。為了釋放溫度變形，反應(yīng)器通常與其支撐框架獨(dú)立開來，反應(yīng)器本身自成為一個(gè)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(yīng)器的頂部擱置在支撐框架的大梁上，反應(yīng)器底部設(shè)置限位點(diǎn)，承托式反應(yīng)器的底部擱置在支撐框架的大梁上，在反應(yīng)器上部設(shè)置限位點(diǎn)防止反應(yīng)器發(fā)生傾覆。對(duì)于支撐框架來說兩種布置方式最大的區(qū)別是荷載作用位置的不同，反應(yīng)器本體荷載通常較大，懸掛式的荷載作用點(diǎn)較高，對(duì)框架設(shè)計(jì)不利，本文中反應(yīng)器采用承托式方式，在框架的34.6 m標(biāo)高設(shè)置承托大梁，在42 m標(biāo)高設(shè)置水平限位裝置，反應(yīng)器支架平面布置圖見圖1，立面布置圖見圖2。

3 SAP2000結(jié)構(gòu)建模

反應(yīng)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(yīng)器殼體，梁單元模擬框架和支撐，支撐兩端釋放彎矩。反應(yīng)器本體采用多層框架結(jié)構(gòu)，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(chǔ)設(shè)置框架結(jié)構(gòu)，催化劑平臺(tái)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(jié)構(gòu)掛在底層大梁下部，在殼體外側(cè)設(shè)置水平和豎向的加勁體系，殼體內(nèi)側(cè)設(shè)置水平支撐體系，反應(yīng)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(jù)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范和工藝資料，反應(yīng)器荷載主要包括永久荷載和可變荷載，永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、保溫材料重量和催化劑平臺(tái)格柵板重量，可變荷載主要包括催化劑重量，檢修荷載，風(fēng)載，風(fēng)機(jī)負(fù)壓以及溫度作用。

5 溫度工況考慮

反應(yīng)器工作溫度為300 ℃，設(shè)計(jì)溫度為320 ℃，在高溫工況下鋼結(jié)構(gòu)彈性模量和剛度都有較大變化，根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》Q345B在320 ℃工況下材料彈性模量折減系數(shù)可取0.84，彈性模量折減為168e3 MPa，材料強(qiáng)度折減系數(shù)可取0.76，強(qiáng)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(yīng)力為149 MPa。為釋放溫度變形，避免反應(yīng)器出現(xiàn)較大溫度應(yīng)力，反應(yīng)器與支撐大梁之間采用滑動(dòng)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(jì)算結(jié)果

在1.0恒+1.0活工況下，催化劑平臺(tái)，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(jié)構(gòu)規(guī)范1/400的規(guī)定。利用SAP2000鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能，對(duì)截面進(jìn)行驗(yàn)算，反應(yīng)器框架和加勁的應(yīng)力比如圖5所示，所有的框架和加勁應(yīng)力比均在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，其中框架底層邊柱應(yīng)力比超過0.7，在設(shè)計(jì)中可適當(dāng)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(yīng)力比邊梁低，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)減小中間梁截面尺寸。

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

7 總結(jié)與展望

采用SAP2000可以比較準(zhǔn)確的獲得脫銷反應(yīng)器結(jié)構(gòu)在各種工況下的變形以及殼體的應(yīng)力云圖，同時(shí)可利用其鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能，對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的截面進(jìn)行校核，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。同時(shí)本文對(duì)反映器滑動(dòng)支座僅采用梁端彎矩與扭矩釋放模擬，不能正確反映出結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，在溫度作用下支座處會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)靜摩擦力；反應(yīng)器對(duì)框架而言是荷載，而非對(duì)框架結(jié)構(gòu)提供剛度，在地震作用下反應(yīng)器是否反生較大傾覆從而對(duì)框架產(chǎn)生沖擊荷載，這些都需要進(jìn)一步精確分析。

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