锅炉钢结构设计的步骤及特点.pdf

第 6期 2 0 1 3年 1 1 月 锅炉制造 BOI L ER MANUFACTURI NG NO ． 6 NO V ． 2 0l 3 文章编号 C N 2 31 2 4 9 2 0 1 3 0 6 0 0 4 4 0 3 锅炉钢 结构 设计 的步骤及特 点 杨红红 哈尔滨锅炉厂有限责任公司， 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 4 6 摘 要 锅炉钢结构是锅炉设备的重要组成部分， 它虽然不影响锅炉的性能参数， 但对锅炉的整体结构安全性 和锅炉的成本 钢耗量 至关重要。本文就锅炉钢结构设计步骤及特点作了简要介绍， 并对钢结构设计过程 中需要注意的问题进行了说明， 希望本文能对锅炉钢结构设计的初学者有所帮助。 关键词 钢结构； 整体结构； 设计步骤 中图分类号 T K 2 2 3 文献标识码 B S t e e l S t r u c t u r e De s i g n Pr o c e s s a n d Cha r a c t e r Ho n gh o n g H a r b i n B o i l e r C o ． ， L t d ． ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a Abs t r a c t S t e e l s t r u c t ur e i s a n i mp o r t a n t p a r t o f t he b o i l e r ． I t c a n’ t a f f e c t t he bo i l e r c h a r a c t e r p a r a m- e t e r s ， b u t i t i s i mp o r t a n t f o r t h e t o t a l s a f e t y a n d t h e c o s t t h e s t e e l c o n s u me ． I t ma k e s a b r i e f i n s t ru c t i o n f o r t he s t e e l s t ruc t u r e d e s i g n p r o c e s s a nd c h a r a c t e r， a n d i n d i c a t e s t h e n o t i c e d p r o b l e ms i n t h e de s i g n c o u r s e ． S o we ho pe i t c a n b e h e l p f u l f o r t h e p r i ma r y s t u d i e r s ． Ke y wo r d s s t e e l s t ru c t u r e； t o t a l s t r u c t u r e； d e s i g n p r o c e s s 0 引 言 近几年 ， 由于锅炉市场竞争异常激烈 ， 为了拿 到订单 ， 各个锅炉制造厂家在投标时大打价格战， 而价格是成本的一种体现。由于钢构架 占整个锅 炉金属重量的 比重非常大 ， 根据供货范围、 地震烈 度、 地质条件和 自然条件 的不 同， 锅炉钢构架 占整 个锅炉金属重量的比重约为 3 0 ％ ～ 6 0 ％， 而且锅炉 钢结构不影响锅炉的整体性能参数 ， 锅炉钢结构就 成为降低 锅炉成本 的重要突破 口， 因此各个锅 炉 制造厂家越来越重视锅炉钢结构的设计与计算 。 1 锅炉钢结构设计步骤 锅炉钢结构设计 步骤主要分初 步设计 、 技术 设计 、 施工设计 3个 阶段 ， 具体说 明如下 1 ． 1 钢结构初步设计 钢结构初步设计主要包括确定钢结构布置形 式 、 选择钢结构节点连接形式 、 选择钢结构材料及 选取合理截面尺寸等 。 1 ． 1 ． 1 确 定钢 结构 布置 形 式 不同种类的锅炉钢结构布置形式是不 同的 ， 在认真 了解锅炉结构和特点 ， 综合考虑各种管道 布置的前提下 ， 在确定锅炉钢结构布置形式时还 应主要考虑以下几个方面因素 1 钢柱距离 和数量 的确定 。主柱 距离 的确 定主要考虑炉膛和尾部烟道 尺寸 、 旋风分离器直 径 流化床锅炉 等 因素 ； 主副跨之 间距离的确定 主要考虑平台楼梯 的布置空间、 锅炉烟风道的布 收稿 日期 2 0 1 30 3～1 8 作者简介 杨红红 ， 毕业后一直在 哈尔滨锅 炉厂有限责任公司从事锅炉设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 杨红红 锅炉钢结构设计的步骤及特点 4 5 置空间、 锅炉 吹灰器型式 一般蒸 汽吹灰器需 要 的空间比较大 ， 特别是长伸缩 吹灰器 ， 另外还要 考虑锅炉是否有紧身封 闭等因素。 2 刚性水平 面的层数 的确定 。刚性水 平面 的层数布置是否合理对整个钢结构的耗钢量至关 重要 ， 从理论上说 ， 层数越 多钢结构 的耗 钢量越 大 ， 层数越少越省钢材 ， 但层数太少也可能带来其 它问题 ， 一是满足不 了结构要求 ， 二是增加了柱子 和垂直支撑 的计算长度 ， 使柱子和垂直支撑的断 面加大； 一般情况下两层刚性水平面之间 的距离 不应超过 1 2米 ， 其标高应与锅炉运行检修平 台、 设备的布置以及锅炉的导 向装置一并考虑。一般 情况下 中、 高压等小容量机组 锅炉高度 在 5 0米 以下 大多采用 4～6层 刚性水平面 ， 大容量机组 刚性水平面的层数根据具体结构和锅炉高度可适 当增加 。 3 垂直支撑的布置 。垂直支撑的方式一般有 两种 ， 第一种是布置在锅炉钢结构 的副跨 ， 第二种 是布置在锅炉钢结构的主跨 。一般来说 ， 垂直支撑 抗剪平面 宜布置在锅炉钢结构的副跨 ， 避免与 锅炉的各种管道冲突。当地震设防烈度较高和垂 直地震力较大时 ， 柱子对基础容易产生过大的上拔 力 ， 这种情况下垂直支撑 抗剪平 面 宜 布置在锅 炉钢结构主跨 ， 由于这种情况锅炉主跨 柱子承受 的荷载较大 ， 可 以避免柱子承受过大的上拔力。 4 顶板 的布置 。顶板是 吊挂锅 炉本体 的主 要承重部件 ， 一般来说 ， 顶板 的断面尺寸 比较大 ， 选择断面形式和计算断面尺寸时要特别注意运输 超限问题。 1 ． 1 ． 2选择 钢 结构 节 点连接 形 式 根据锅炉技术协议要求和钢结构布置形式选 择合理的节点连接形式 。一般情况大容量锅炉节 点连接形式宜采用高强度螺栓连接 ， 小容量锅炉 宜采用焊接连接 。 1 ． 1 ． 3选择钢结构材料 一 般说来 ， 由于钢结构主结构 柱 、 梁 、 顶板 、 垂直支撑等 主要控制杆件 强度 ， 因此使用低合 金钢 Q 3 4 5 是 比较合算 的； 其它 以主要控制刚度 的杆件使用碳钢 Q 2 3 5 是 比较合算的。 1 ． 1 ． 4选取 合理 截 面尺 寸 杆件截面主要分 为封闭型截 面 如 箱 型截 面 和非封闭型截面 如 工字型 ， 具体选择那种 截面要综合考虑锅炉钢结构形式和用户要求 ， 但 无论选取什么样 的截面尺寸 ， 都要根据设计规范 考虑杆件截面 自身的稳定性和长细比等 。 1 ． 2 钢结构的技术设计 钢结构的技术设计主要包括荷载统计、 绘制 计算简图、 计算 、 计算结果分析 、 绘制钢构架 总图 及基础负荷图。 1 ． 2 ． 1 荷 载统 计 荷载统计在钢结构设计中起着举足轻重的作 用 。荷载统计内容一般包括锅炉本体荷载 、 钢结 构 自重荷载 包括柱、 梁、 水平支撑 、 垂直支撑、 平 台楼梯及检修活荷载等 、 风荷 载、 地震荷 载、 雪 荷载 、 锅炉范围内管道荷载 、 紧身封闭荷载 、 锅炉 本体和设计 院烟风管道荷载、 运转层荷载 、 脱销荷 载、 风机检修荷载 、 空气预热器检修荷载 、 电梯井 作用在锅炉钢结构上 的荷载 、 以及其它作用在锅 炉钢结构上的荷载等。 荷载统计的准确性对钢结构 的计算结果非常 重要 ， 荷载统计是否准确不仅取决于荷载统计者 本人 ， 也需要锅炉设计各个专业的大力配合 ， 各专 业要尽可能提供锅炉各部位的准确荷载大小和位 置 ， 以便钢结构的计算者可 以尽可能的将荷载统 计准确 。为了防止荷载统计的偏差和可能增加 的 新荷载 ， 钢结构计 算时可在柱顶和大板梁跨 中附 加安全性荷载 ， 附加性安全性荷载的大小可根据 荷载统计的准确性和受载情况确定。 1 ． 2 ． 2绘制计算 简图 绘制计算简 图要 求计算者必须非 常仔细 和 耐心 ， 计算 简 图中出现很 细微 的错 误就有 可能 导致计算 软 件不 工 作 或 计算 结 果 出现 很 大偏 差 。计算 简 图应 能 表达 锅 炉钢 结 构 的实 际情 况 ， 使简 图与杆件 的实 际布置相符 ， 同时又能使 计算简化 ， 计算简 图的内容 应包括杆件数量 、 假 设杆件断 面、 杆件 的平 面内特性 、 各种 荷载 的位 置和大小等 。 1 ． 2 ． 3计算 钢结构计算主要包括立面计算 、 柱脚计算、 平 面计算、 节点计算 四部分 1 立面计算主要确定 的是柱子断面、 垂直支 撑的断面以及基础负荷图等； 2 柱脚计算是实现柱与基础结构连接 ， 确定 柱脚结构尺寸的计算 ， 根据各柱 的基础负荷 的大 小， 计算出的柱底板厚度尽量不宜过大， 如果钢板 过厚过大 ， 不利于材料的采购 ； 3 平面计 算主要确定 的是梁 和水 平支撑 的 断面， 分为平面整体计算和单个杆件的计算 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 锅炉制造 总第 2 4 2期 4 节点计算是是钢结构计算的重要环节， 是 钢结构各杆件接点连接 的理论依据 。 为了达到预定 目标 ， 钢结构的计算 过程 中应 对杆件的布置和截面进行必要的调整 ， 以达到优 化 的目的。 1 ． 2 ． 4 计算结果分析 由于钢结构计算为校核性计算 ， 因此设计者 要对钢结构的计算结果进行分析 ， 验证绘制计算 简图时假设的杆件断面是否合适 ， 如果各种计算 数据 应力、 挠度 、 刚度 、 结构侧移等 均远远小于 其取值界限， 就应该适 当减小杆件断面进行循环 计算 ， 直到各种计算数据接近其取值界限。 1 ． 2 ． 5 绘制钢构架总图和基础负荷图 当计算结果经分析判断确定其合理、 正确后 ， 应完成钢构架总图和基础负荷 图的绘制工作。由 于钢构架总图和基础负荷 图是钢构架施工设计 的 依据 ， 因此钢构架总图和基 础负荷 图的绘制必须 准确 、 全面。钢结构总图主要包括各垂直立 面图 和各水平平面图。垂直立面图中一般要标 出各构 件的相互关系尺寸 、 梁的标 高、 柱接头标高 、 柱 的 名称和断面尺寸 、 垂直支撑的名称、 断面尺寸和内 力 ； 水平平面图中一般要标 出各构件 的相互关系 尺寸、 梁 的名称和断面尺寸 、 梁的端部连接状况或 计算梁端部连接所需要的内力 、 水平支撑的名称 、 断面尺寸和内力 。 基础负荷图是柱脚计算和设计院土建专业进 行基础施工 的主要依据 ， 图中应示 出柱底板处 的 柱脚位置以及在各种工况下作用于基础的垂直力 包括上拔力 、 水平力和弯距 。 需要说 明的是钢结构初步设计和技术设计是 钢结构设计最主要 的环节 ， 是具体施工设计 的基 础和设计依据 ， 是降本增效最主要手段。 1 ． 3 钢结构的施工设计 钢结构施工设计是将初步设计和技术设计细 化和完善成生产用 图的过程 ， 与初步设计和技术 设计相比较 ， 锅炉钢结构施工设计 的设计难度 比 较小 2 结束语 综上所述 ， 锅炉钢结构的设计需要锅炉相关 专业大力配合， 计算过程非常复杂， 存在着许多不 确定 因素 ， 需要设计者非常仔细和耐心 ； 对同一台 锅炉钢结构进行设计和计算 ， 不同的设计者设计 的结果会有很大差别 ； 随着各锅炉制造厂家对 钢 结构设计 的越来越重视和设计者经验 的积累 ， 设 计出来的钢结构就更趋于安全合理 、 经济 。 [ 上接第 4 3页] S A一3 3 5 P 2 2焊前预热和焊后 消应热处理对 此种材料的焊接是相 当重要 的。焊接时 ， 预热温 度定为 2 5 0～ 3 0 0度 ， 焊后立 即进行消应热处理 ， 如果不能立即进行消应热处理则应先进行消氢处 理后保温缓冷 ， 然后尽快进行消应处理。 这两材料都要求焊后立 即进行热处理 ， 不排 除制造厂在管座焊接完成后未及时进行热处理。 5 处理 方案 1 挖磨。采 用砂轮及 旋转锉磨 除原焊缝 裂 纹 ， 用着色探伤确认裂纹清除干净。补焊区及坡 口边缘露 出金属光泽 ， 不允许影 响焊接质量 的污 物存在 ， 转角处要求 圆滑过渡不得有尖角及死角 存在 。 2 焊接工艺 打底层用 T I GR 3 1焊丝 ， 填充 及盖面用 R 3 1 7焊条 ， 规格为 2 ． 5 m m， 焊条焊前 经烘干后放人保温筒 中， 随用随取 。 3 热处理工艺 电加热 预热温度 为 2 0 0～ 2 5 0℃ 氩弧焊打底 ， 2 5 0 3 0 0℃ 电焊 ； 升温速 度 2 0 0 ／ h ； 焊后热处理温度 7 2 0～7 5 0 o C， 恒温时 间 1 ． 5 h ， 升温速度 2 0 0 c c ／ h ， 降温速度≤ 2 0 O℃／ h 。 6 结 论 1 采用一 次反射 波法超声检 测结合磁粉 检 测方法对某 电站 3 0 0 M W 机组再热热段取样管角 焊缝进行检测。证明了两者结合能有效地检测出 焊缝中存在 的裂纹等危险缺陷。 2 对缺陷产生原 因的分析 ， 为后续缺陷处理 提供了参考意见 。 3 排查类似管座 ， 采用定期检验来发现管座 开裂先期征兆 ， 来达到预防的 目的。 参考文献 [ 1 ] 周重回． 3 0 0和 6 0 0 M W发电机组联箱半插入式角焊缝 超声波探伤方法研究． 无损检测一 2 13 O 6 0 9 1 0 ． [ 2 ] 乐群立． 厚壁管道热电偶插座焊接结构改进与工艺 研究． 长春工程学院学报 自然科学版 一2 0 0 8 一 O31 5． [ 3 ] 王建明． S A 3 3 5一P 2 2钢管焊接工艺性能分析． 经 营管理者一 2 0 0 90 62 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m