管式加热炉设计和应用—第四章

1、第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 管式加热炉钢结构是为满足工艺加热、生产操作和检修的需要，为管式加热炉钢结构是为满足工艺加热、生产操作和检修的需要，为支持炉管系统、衬里和零部件等重量所设置的外部钢架体系。支持炉管系统、衬里和零部件等重量所设置的外部钢架体系。 钢结构的强度除承受加热炉各部件的静荷载和活荷载外，还应能承钢结构的强度除承受加热炉各部件的静荷载和活荷载外，还应能承受检修荷载、风荷载和地震荷载等，除炉顶和操作面的防雨棚外，一般受检修荷载、风荷载和地震荷载等，除炉顶和操作面的防雨棚外，一般不考虑雪荷载。在设计中，还应根据结构的具体条件，对主梁和立柱的不考虑雪荷载。在

2、设计中，还应根据结构的具体条件，对主梁和立柱的温度应力进行校核。温度应力进行校核。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计4 4.1 .1 辐射室钢结构辐射室钢结构 辐射室的钢结构型式是根据加热炉的工艺要求和特点选用的炉型来确辐射室的钢结构型式是根据加热炉的工艺要求和特点选用的炉型来确定的。定的。炉型不同，辐射室钢结构的外形有很大差异，但其共同点是由梁柱炉型不同，辐射室钢结构的外形有很大差异，但其共同点是由梁柱及钢板组成的。及钢板组成的。 辐射室的炉底一般是架空式辐射室的炉底一般是架空式，为便于操作和检修，下部的空间净高应，为便于操作和检修，下部的空间净高应大于大于1.81.8

3、米。架空式炉底的重量是通过底梁传给立柱的。对于圆筒炉炉底米。架空式炉底的重量是通过底梁传给立柱的。对于圆筒炉炉底以下的立柱，有的设计成钢筋混凝土柱墩，辐射室下部仅有约以下的立柱，有的设计成钢筋混凝土柱墩，辐射室下部仅有约500mm500mm长的长的钢柱安放在柱墩上。有的则全部采用钢制立柱，下端用地脚螺栓固定在混钢柱安放在柱墩上。有的则全部采用钢制立柱，下端用地脚螺栓固定在混凝土基础上。这两种设计方案的优缺点是：前者钢材用量较省，便于和辐凝土基础上。这两种设计方案的优缺点是：前者钢材用量较省，便于和辐射室一起进行整体运输和安装；后者节省混凝土工程的施工工作量，但在射室一起进行整体运输和安装；后者

4、节省混凝土工程的施工工作量，但在整体运输中立柱易弯曲变形。整体运输中立柱易弯曲变形。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 加热炉的辐射室分矩形和圆形两大类。矩形加热炉的辐射室分矩形和圆形两大类。矩形辐射室的侧壁是由炉壁钢辐射室的侧壁是由炉壁钢板和梁柱组成的。当辐射管水平排列时，侧壁立柱的间距即为炉管中间管板和梁柱组成的。当辐射管水平排列时，侧壁立柱的间距即为炉管中间管架的间距，一般采用的间距是架的间距，一般采用的间距是3 34m4m。当辐射管垂直排列时，立柱的间距应。当辐射管垂直排列时，立柱的间距应根据结构需要确定，一般不宜大于根据结构需要确定，一般不宜大于4.5m4.5m

5、。在多跨钢架结构中，通常都在端。在多跨钢架结构中，通常都在端跨立柱之间设有防风斜撑，加强框架的整体稳定性。跨立柱之间设有防风斜撑，加强框架的整体稳定性。 圆筒形圆筒形加热炉的辐射室也是由立柱、环梁和壁板组成的。为便于设计加热炉的辐射室也是由立柱、环梁和壁板组成的。为便于设计和施工，立柱的根数均设计成偶数，相邻两立柱见的弧长可在和施工，立柱的根数均设计成偶数，相邻两立柱见的弧长可在2.5范范围内选用。筒体环梁的间距一般不大于围内选用。筒体环梁的间距一般不大于2.5m2.5m。若将壁板考虑为不承重，仅。若将壁板考虑为不承重，仅考虑保护炉衬和密封的作用时，可采用考虑保护炉衬和密封的

6、作用时，可采用5mm5mm厚的钢板制作。厚的钢板制作。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计4 4. .2 2 对流室钢结构对流室钢结构 对流室钢结构的型式一般均为对流室钢结构的型式一般均为长方形截面长方形截面，由桁架结构或梁柱结构和，由桁架结构或梁柱结构和表面钢板组成。表面钢板组成。 立式炉的对流室的长度和辐射室的长度基本相同，故对流室的形状厂立式炉的对流室的长度和辐射室的长度基本相同，故对流室的形状厂而窄。而窄。 圆筒炉对流室一般采用的有两种类型圆筒炉对流室一般采用的有两种类型，一种类型是一种类型是对流室的外形不超对流室的外形不超过辐射管的向上吊装范围，所有对流管的长度短

7、，过辐射管的向上吊装范围，所有对流管的长度短，对流室的横截面接近正对流室的横截面接近正方形方形，其优点是对流管可不用中间合金管架，每根辐射管可直接向上抽出，其优点是对流管可不用中间合金管架，每根辐射管可直接向上抽出，装卸方便。缺点是管端弯头数量多，管内介质的流阻大。装卸方便。缺点是管端弯头数量多，管内介质的流阻大。另一种类型是对另一种类型是对流室的长度差不多接近辐射室的直径流室的长度差不多接近辐射室的直径，因而对流室的长宽比相差较多。采，因而对流室的长宽比相差较多。采用这种类型的对流室时，辐射管可以通过对流室两侧，位于辐射室顶上的用这种类型的对流室时，辐射管可以通过对流室两侧，位于辐射室顶上的

8、检修孔进行吊装。这种对流室型式的优点是弯头少，施工方便，管内介质检修孔进行吊装。这种对流室型式的优点是弯头少，施工方便，管内介质 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 的流动阻力小。从结构上来说，这种对流室的几根承重立柱都靠近辐射室的流动阻力小。从结构上来说，这种对流室的几根承重立柱都靠近辐射室顶环梁，对抗风、地震和传力都比较有利。比较起来，后一种对流室型式顶环梁，对抗风、地震和传力都比较有利。比较起来，后一种对流室型式优点较多，所有大都采用这种型式。优点较多，所有大都采用这种型式。 对流室内一般都排满了对流管，对流管的重量是通过两段和中间管板对流室内一般都排满了对流管，对流

9、管的重量是通过两段和中间管板传给立柱和主梁的。两端和中间管板的分块应相互对应，以便于在施工中传给立柱和主梁的。两端和中间管板的分块应相互对应，以便于在施工中成组吊装。成组吊装。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计4 4. .3 3 管式炉钢结构的特点管式炉钢结构的特点 4.3.1 4.3.1 防火防火 在生产操作中，如炉管因发生事故而破裂，大量可燃物可能从炉底外在生产操作中，如炉管因发生事故而破裂，大量可燃物可能从炉底外溢，在炉子下部燃烧。另外，炉底可燃气体的聚集与液体燃料的泄漏也会溢，在炉子下部燃烧。另外，炉底可燃气体的聚集与液体燃料的泄漏也会引起炉底着火。为避免在这种情

10、况下烧坏炉底立柱，引起炉底着火。为避免在这种情况下烧坏炉底立柱，在所有架空式炉底的在所有架空式炉底的钢制立柱四周都应设有防火保护层钢制立柱四周都应设有防火保护层，防火层可用砖砌成，亦可用混凝土捣，防火层可用砖砌成，亦可用混凝土捣制，其厚度不应小于制，其厚度不应小于100mm100mm。也可使用防火涂料作防火保护层。也可使用防火涂料作防火保护层。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 4.3.2 4.3.2 防爆防爆 管式加热炉在正常情况下是负压操作的，而炉体结构尺寸庞大，不可管式加热炉在正常情况下是负压操作的，而炉体结构尺寸庞大，不可能按照受压容器来设计，所以能按照受压容器来

11、设计，所以，一般加热炉的辐射室均应装有防爆门，一般加热炉的辐射室均应装有防爆门，以，以便在炉内发生爆炸事故时，泄掉炉内压力，保证炉体钢结构的安全。便在炉内发生爆炸事故时，泄掉炉内压力，保证炉体钢结构的安全。 在采用余热回收系统时，如果引至炉下的烟气系统内可能出现后燃现在采用余热回收系统时，如果引至炉下的烟气系统内可能出现后燃现象，则在烟道上也应设置防爆孔。由于这种烟道为引风系统，内部和外界象，则在烟道上也应设置防爆孔。由于这种烟道为引风系统，内部和外界压差较大，故宜采用防爆膜。压差较大，故宜采用防爆膜。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 4.3.3 4.3.3 防漏防漏

12、加热炉的整个结构体系如在设计和施工中不能保证密封性，就会在生加热炉的整个结构体系如在设计和施工中不能保证密封性，就会在生产操作中出现泄漏，泄漏分产操作中出现泄漏，泄漏分向外泄露和向内泄露向外泄露和向内泄露两种。两种。 向外漏的部位发生在正压操作的供风系统，也可能出现在操作不正常向外漏的部位发生在正压操作的供风系统，也可能出现在操作不正常的辐射室顶部和对流室。如果高温烟气从炉内漏出，就会造成热量的大量的辐射室顶部和对流室。如果高温烟气从炉内漏出，就会造成热量的大量损失，并导致钢结构的局部过热。损失，并导致钢结构的局部过热。 向内漏包括漏水和漏气。雨水渗入炉内，会使炉衬，特别是陶瓷纤维向内漏包括漏

13、水和漏气。雨水渗入炉内，会使炉衬，特别是陶瓷纤维炉衬损坏。空气的大量泄入会加剧炉管的氧化，降低炉膛温度和加热炉的炉衬损坏。空气的大量泄入会加剧炉管的氧化，降低炉膛温度和加热炉的热效率。热效率。 在加热炉钢结构的设计和施工中，必须保证炉体钢结构体系的气密性。在加热炉钢结构的设计和施工中，必须保证炉体钢结构体系的气密性。对所有引起炉子内、外贯通的连接焊缝，应全部采用对所有引起炉子内、外贯通的连接焊缝，应全部采用密封性满焊密封性满焊。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 4.3.4 4.3.4 防腐蚀防腐蚀 加热炉内的烟气在低于露点的冷壁面上会凝结出含有硫酸的液体，对加热炉内的烟

14、气在低于露点的冷壁面上会凝结出含有硫酸的液体，对金属产生腐蚀。在加热炉操作中，如炉衬密封性不好，会使炉壁钢板的内金属产生腐蚀。在加热炉操作中，如炉衬密封性不好，会使炉壁钢板的内表面结露引起低温腐蚀。表面结露引起低温腐蚀。 在加热炉的烟囱和烟道内，即使不考虑散热损失，在烟气温度较低的在加热炉的烟囱和烟道内，即使不考虑散热损失，在烟气温度较低的部位也应采用轻质耐热混凝土衬里，减少低温腐蚀。必要时，可以采取外部位也应采用轻质耐热混凝土衬里，减少低温腐蚀。必要时，可以采取外保温，使钢板壁温保持在烟气露点温度以上。保温，使钢板壁温保持在烟气露点温度以上。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结

15、构设计 4.3.5 4.3.5 防推力防推力 由于整个加热炉钢结构的体系内部都是高温烟气通过，故各部件均存由于整个加热炉钢结构的体系内部都是高温烟气通过，故各部件均存在不同程度的热膨胀。在设计中，除应避免炉衬附加给钢结构的热膨胀推在不同程度的热膨胀。在设计中，除应避免炉衬附加给钢结构的热膨胀推力外，在高温烟风道上，还应力外，在高温烟风道上，还应在适当部位设置固定支座和滑动支座，使管在适当部位设置固定支座和滑动支座，使管道能够定向膨胀，并设置波形膨胀节，减少施加于炉体、设备和风机上的道能够定向膨胀，并设置波形膨胀节，减少施加于炉体、设备和风机上的膨胀推力膨胀推力。 在某些炉型上，由于结构上的需要

16、，梁和柱可能通过炉膛。在这种条在某些炉型上，由于结构上的需要，梁和柱可能通过炉膛。在这种条件下，件下，与高温烟气接触的梁柱表面必须用耐火材料隔热与高温烟气接触的梁柱表面必须用耐火材料隔热，使钢板表面温度，使钢板表面温度不超过不超过100100；梁和柱的内侧还应采用自然冷却或其它的降温措施。；梁和柱的内侧还应采用自然冷却或其它的降温措施。 加热炉的主梁和立柱上所存在的内、外表面温差应力，以及由于横梁加热炉的主梁和立柱上所存在的内、外表面温差应力，以及由于横梁膨胀施加给立柱的推力，在设计中均应适当加以考虑。膨胀施加给立柱的推力，在设计中均应适当加以考虑。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热

17、炉钢结构设计4 4. .4 4 通用结构分析与设计软件通用结构分析与设计软件STAAD/CHINASTAAD/CHINA STAAD/CHINA STAAD/CHINA是是BentleyBentley工程软件有限公司开发的通用有限元结构分析工程软件有限公司开发的通用有限元结构分析与设计软件，具有强大的三维建模系统及丰富的结构模板，用户可方便快与设计软件，具有强大的三维建模系统及丰富的结构模板，用户可方便快捷地直接建立各种复杂三维模型，特别适合于形状不规则的加热炉建模工捷地直接建立各种复杂三维模型，特别适合于形状不规则的加热炉建模工作。目前国内大部分的设计院都采用这款软件进行加热炉钢结构的分析与

18、作。目前国内大部分的设计院都采用这款软件进行加热炉钢结构的分析与设计。设计。 STAAD/CHINASTAAD/CHINA由由STAAD.ProSTAAD.Pro和和SSDD 2SSDD 2部分组成。部分组成。其中其中STAAD.Pro STAAD.Pro 用于加用于加热炉钢结构的建模，热炉钢结构的建模，SSDD SSDD 用于加热炉钢结构的中国规范检验。用于加热炉钢结构的中国规范检验。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 4.4.1 STAAD.Pro 4.4.1 STAAD.Pro（几何建模、添加荷载、后处理）（几何建模、添加荷载、后处理） 几何建模几何建模 1 1）建

19、立框架，模型都是）建立框架，模型都是 由节点连接而成由节点连接而成 2 2）添加炉壁板，并指定板厚度）添加炉壁板，并指定板厚度第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 3 3）定义材料特性）定义材料特性 分别为钢板、炉底板、筒体板、辐射室顶板和对流室板分别为钢板、炉底板、筒体板、辐射室顶板和对流室板 定义弹性模量、泊松比、密度等值。定义弹性模量、泊松比、密度等值。 4 4）指定构件截面特性）指定构件截面特性 包括工字钢、包括工字钢、H H型钢、槽钢、角钢、方管钢、圆管钢等型钢、槽钢、角钢、方管钢、圆管钢等第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 5 5）指定弯曲构件

20、和构件的）指定弯曲构件和构件的角角 6 6）指定构件材料特性）指定构件材料特性 给构件和板指定材料。给构件和板指定材料。 7 7）指定特殊构件）指定特殊构件 包括主从节点、桁架等。包括主从节点、桁架等。第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 8 8）指定支座）指定支座 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 添加荷载添加荷载 1 1）恒载）恒载 自重自重 构件载荷构件载荷第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 2 2）活载）活载 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 3 3）风荷载）风荷载 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式

21、加热炉钢结构设计 4 4）地震荷载）地震荷载 振型分解反应谱法振型分解反应谱法 输入等效重力质量输入等效重力质量 按按建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（GB50011GB50011），为），为1 1倍的恒载倍的恒载+0.5+0.5倍活倍活 载，并同时指定到载，并同时指定到X X向和向和Z Z向上。向上。 定义反应谱曲线定义反应谱曲线 按按建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（GB50011GB50011）规定，输入组合方式（）规定，输入组合方式（SRSSSRSS或或CQCCQC）、反应谱类型（加速度谱或位移谱）、阻尼值、比例（）、反应谱类型（加速度谱或位移谱）、阻尼值、比例（9.89.8）等，重）等，重点是输入时间点是输入时间加速度曲线表：根据烈度、场地类别、设计地震分组和结加速度曲线表：根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自震周期以及阻尼比去确定。构自震周期以及阻尼比去确定。 第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 在在SSDDSSDD软件中生成地震荷载软件中生成地震荷载第四章第四章 管式加热炉钢结构设计管式加热炉钢结构设计 5 5）荷载组合）荷载组合 按照按照建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范（GB50009GB50009）的规定，列出各种载荷的不利）的规定，列出各种载荷的不利组合情况进行结构的构建