浙江不銹鋼管廠除塵風(fēng)管抗風(fēng)安全校核考核情況

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風(fēng)安全性展開校核。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?、水平橫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。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，提高管道的抗臺風(fēng)安全性，有必要對室外架空除塵風(fēng)管進(jìn)行抗風(fēng)校核計(jì)算。綜合性鋼廠涵蓋原料場、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、地形開敞的原料場單元中具有代表性的不銹鋼管道區(qū)段開展核算。

一、校核計(jì)算方法

 各行業(yè)、各專業(yè)對不銹鋼管道的抗風(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，針對不銹鋼管道的抗風(fēng)設(shè)計(jì)、校核尚無專門的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)，與其關(guān)聯(lián)的術(shù)語、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)的配合能防止臺風(fēng)時管道從管托處滑脫。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，從以下幾個方面來考慮管系的安全性：

 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

 原料場單元某除塵系統(tǒng)，其南向外線管徑Φ1250mm×6mm、長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。灰堆積密度為1500kg/m3。支架形式為導(dǎo)向支架，管道與管托間無焊接，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圖，管道三維模型分見圖。

 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是國內(nèi)常見、經(jīng)濟(jì)的碳素鋼板，使用溫度下限為0℃，因其伸長率和強(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，管道沿途的12個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)向滑動面，并允許管道在弧面上切向（橫向）錯動。管道兩端固定節(jié)點(diǎn)、管道沿途導(dǎo)向支點(diǎn)分別見圖。

 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，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，即空氣流動對工程結(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，管道自重、積灰荷載和風(fēng)荷載同向耦合疊加，對管道產(chǎn)生較不利影響，該工況的計(jì)算結(jié)果對于分析管道強(qiáng)度和剛度具有指針性。管道及支承分布如能應(yīng)對此種風(fēng)力影響，就可推定管道自身不會出現(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，管道有沿管托弧板切向（橫向）錯動的趨勢，若不考慮積灰荷載僅計(jì)入管道自重，此趨勢會更加明顯。該工況的計(jì)算結(jié)果對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)對此種風(fēng)力影響，就可推定管道就不會從管托中滑脫，不銹鋼管道也不會形變或破壞，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，管道有被風(fēng)力頂起上升并脫離管托的趨勢，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會愈加明顯，該工況的計(jì)算結(jié)果對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=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)吹襲不會發(fā)生形變或破壞，管系安全。若管道撓度過大或應(yīng)力超過許用值，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=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)荷載比率見表。計(jì)算結(jié)果表明，在風(fēng)垂直向上且管內(nèi)無積灰或積灰很少（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

 相對于實(shí)際環(huán)境中風(fēng)的復(fù)雜流動情況，本文圍繞簡化的、趨于保守的3種荷載工況對管道開展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管系抗風(fēng)能力進(jìn)行校核，通過比對計(jì)算結(jié)果和界定值，推定管系在臺風(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)個單元參照此思路展開抗臺風(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)超過界定值的管道采取相應(yīng)的補(bǔ)充措施。時隔數(shù)月，浙江不銹鋼管廠遭遇15級臺風(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)受住臺風(fēng)的考驗(yàn)。由此可見，強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目有必要開展抗風(fēng)校核。