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附图1锅炉钢结构整体效果图(计算模型,三维实体模型)
2.1柱网布置
柱网布置满足锅炉本体及附属设备的支吊、安装、运行和维护所需的空间和通道的要求。
具体见附图2。
沿炉深方向设7列柱,总跨距为68.82米,从炉前向炉后依次为10米、10.6米、13米、12.1米、8.6米、14.52米。
沿炉宽方向,总跨距为67米,在K1列,K4及K5列下部设7行柱,从炉左向炉右依次为14米、11.5米、8米、8米、11.5米、14米;
在K2列,K3列,K4列上部设4行柱,在K5列上部,K6列设5行柱;
根据空预器的布置,K6列内排柱拉出布置,不与K1~K5列的内排柱对齐。
沿炉深方向的柱距主要是根据锅炉吹灰器的布置、大管道的布置、燃烧器的操作检修等并考虑到各柱承载均匀确定的。
沿炉宽方向,B2与B4之间的间距39米主要是根据顶护板的宽度、刚性梁及风箱的宽度等确定;
B1(B5)与B2(B4)间距14米主要是根据二次风道、设计院烟风道、长伸缩吹灰器等的布置确定的;
在炉膛长伸缩吹灰器区域,考虑到吹灰器的检修,在B1,B5外侧悬挑出大平台。
钢架整体尺寸为68.82米X67.00米X87.40米,整体结构布置较常规项目更为紧凑合理。
柱网平面布置见附图2。
附图2柱网平面布置图
2.2柱底板、地脚螺栓和地锚框
锅炉钢架柱脚采用地脚螺栓铰接连接方式,柱底板下表面标高为-1.00m。
与垂直支撑相连的柱底板布置了剪力板用于抵抗水平力,地脚螺栓由地锚框定位,地锚框埋置于基础钢筋混凝土柱内,便于地脚螺栓的安装和抵抗上拔力。
2.3梁柱布置
根据锅炉本体运行,检修,管道支吊等的需要,锅炉钢架共设了19层平面(不含顶板)。
考虑荷载传递和结构自身稳定的需要,结构上设置了八层水平刚性层(由梁和水平支撑组成),标高分别在10.00米、17.00米、27.20米、38.00米、48.60米、60.20米、69.80米、87.40米(此层为顶板层水平支撑),较好地增加了结构的平面刚度。
柱接头布置在距水平刚性层1.3m处。
2.4支撑布置
虽然该项目地震并不大,但是基本风压较高,同时该项目建于海岛之上,对整体结构的抗侧力有较高要求。
为此,本锅炉钢架在B1、B2、B3、B4、B5、B1.8、B4.6、K1、K4、K5、K6、K7十二个立面内设置连续的从柱底到柱顶的垂直支撑(比一般项目要多),以形成一个稳定的空间构架,在地震和风荷载作用时将水平力传至基础。
刚性层内水平支撑的布置尽量沿锅炉钢架周围形成连续的闭合结构。
锅炉止晃装置将锅炉本体和水平支撑连接为一个体系,以防止锅炉在有水平力作用时晃动。
2.5顶板
锅炉受压部件的大部分重量通过吊杆作用于顶板,由顶板将大部分荷载传给钢架柱。
顶板主要由大板梁、小板梁、水平支撑及吊点梁组成。
其中锅炉大板梁是整个结构承载的重中之重。
考虑到大板梁自身的高度及吊杆扁担梁的布置需要,以及锅炉顶部荷载的分布情况,顶板标高确定为87.40米,同时考虑设置三根大板梁。
三根大板梁分别位于K2、K3、K4列柱的B2-B4轴线之间,考虑到运输条件和梁的高跨比要求,梁高分别为6.7米、7.8米、8.0米。
四根大板梁长度均为40.20米,重量分别为K2:
178吨;
K3为256吨;
K4:
301吨。
其中K4板梁承载最大,其单根梁承受载荷约为6600吨。
考虑到运输及起吊条件本项目大板梁按叠梁设计,叠梁分为上下两部分。
叠合面螺栓分别采用M24和M30两种规格。
大板梁长度方向不分段。
3.结构分析
3.1设计方法、计算软件
结构设计采用美国钢结构建筑设计规范AISC中的ASD方法校核设计,计算软件采用STAADPro。
3.2荷载工况
3.2.1静载(D):
锅炉本体荷载(含金属、水、灰等);
空预器荷载;
轻型屋盖荷载;
锅炉范围内的各汽水管道、烟、风、煤粉管道荷载;
除灰设备荷载;
炉前运转层平台静载;
炉前管道荷载;
电缆竖井及桥架荷载;
脱硝荷载;
炉后烟道等支架传来的荷载等。
3.2.2活荷载(L):
检修平台活荷载:
4kN/m2;
运转层平台的活荷载:
10kN/m2;
其余各层平台活荷载:
2.5kN/m2;
扶梯活荷载:
2kN/m2;
炉前平台活荷载;
屋顶盖活荷载等。
3.2.3地震荷载(E):
执行UBC97规范,锅炉钢架的结构体系按普通的支撑框架设计。
中国规范:
抗震设防烈度为6度,地震加速度为0.0726g,场地类别为II类。
采用UBC97规范计算地震荷载,则相应参数为:
地震区系数Z=0.075,场地土类型Sc,R=5.6。
锅炉钢架地震力由程序自动计算,锅炉本体的地震荷载通过止晃装置加到钢架上。
3.2.4风荷载(W):
执行UBC97规范,设计风压P=CeCqqsIw。
50年一遇基本风压W50=0.90kN/m2(中国规范)。
根据美国《建筑和其它结构最小设计荷载》ANSI/ASCE7-05图C6-4,50年一遇离地10m高10分钟最大风速38m/s对应的离地面高度为33英尺处,按年概率为0.02测得的最快英里风速为46.5m/s,对应的基本风压的换算关系为1.48,即:
采用UBC97规范计算风荷载时,基本风压应采用0.90X1.48=1.332kN/m2。
锅炉钢架风荷载由程序自动计算,锅炉本体风荷载通过止晃装置加到锅炉钢架上。
3.2.5压力荷载(P)
持续(Ps)和瞬态(Pt)两种工况。
3.2.6灰荷载(A)
3.3荷载组合
按照B&
W公司标准4U1,同时遵循UBC97规范。
采用基本组合,许用应力不提高。
1)D+A+P
2)D+A+P+L
3)D+A+P+(WorE/1.4)orD+A+Pt
4)D+A+P+0.75[L+(WorE/1.4)]orD+A+0.75(L+Pt)
5)0.9D+E/1.4
6)0.9D+W
7)0.9D+Pt
3.4节点连接
节点连接均采用铰接连接。
高强螺栓为10.9级扭剪型高强螺栓连接副。
高强螺栓的规格为M22,M24,M30三种,其中M24,M30用于大板梁叠合面连接。
3.5材料
本项目主要采用如下几种材料:
Q345B,ASTMA572(Gr50)及Q235-B。
3.6计算控制参数
序号
杆件名称
构造措施
应力比
变形(挠度/跨度)
1
柱
翼缘宽厚比
12.6(10.7)
0.90
2
腹板高厚比
36
3
长细比
99
4
垂撑
0.85
5
36(27)
6
150
7
梁(有轴力)
9.2
0.95
1/750(框架梁)
8
90(75)
9
180
10
梁(无轴力)
0.9
1/500(除框架梁外)
11
75
12
不控制
13
水撑
14
15
16
吊点梁
0.75
1/500
17
小板梁
0.80
1/750
18
大板梁
1/1000
19
空预器支承梁
注:
括号内为中国规范限值
3.7整体计算结果汇总
省略。
3.8大板梁计算结果
板梁名称
截面代号
应力系数
变形/L
重量(吨)
材料
K2
6700X1200X40/90
0.78
1227
178
Q345B
K3
7800X1600X46/100
0.81
1231
256
A572(Gr50)
K4
8000X2000X50/100
1247
301
总重
735
端部
6700X950X40/90
0.68
1451
7800X1250X46/100
0.73
1425
8000X1600X50/100
0.70
1482
4.关键技术设计创新
4.1K5列柱位置的优化
六横项目原初步设计K5列柱布置在锅炉后包墙中心线之前,K6柱升到顶板高度,钢架共设4根大板梁(K2,K3,K4,K5)。
见附图3。
这种布置方案,是我公司以往项目的传统布置方案。
对于六横项目,若延续采用此方案,为了实现脱硝烟道的支吊,脱硝烟道必须要向炉后再移动至少6米左右,这也就意味着锅炉深度方向所占场地将增加6米,这样势必会大大增加整个工程的造价成本。
在技术设计阶段,为了避免增加电厂的总投资,我们考虑将K5柱移到锅炉后包墙中心线之后,这样能够解决脱硝烟道的支吊问题,也不会太多增加占地。
但是将K5柱后移,大板梁根数则减少为3根(K2,K3,K4),见附图4。
由于K2,K3列柱的位置并未调整,K5列柱后移,将导致K4板梁承受的荷载大大增加,K4板梁的设计则成为K5列柱是否能后移的关键问题。
为此,我们对4根大板梁方案和3根大板梁方案做了对比,详见4.2条。
根据本项目的荷载情况,论证结果表明三根大板梁的方案无论是从安全性角度还是经济性方面都是可行性的,从而最终确定将K5柱移到后包墙中心线之后,脱硝烟道相应的仅向炉后移动了1米,即解决了脱硝烟道的支吊问题,也使得锅炉钢架的整体布置更加紧凑。
K5列柱位置优化后,电厂方面在锅炉深度方向上节约了5米的场地,相应的锅炉钢结构,脱硝设备及一二次风道等均节约了5米长度的造价,尾部压缩空间比较显著,整个锅炉岛布置紧凑。
自六横项目之后,将K5列柱布置在后包墙之后这种布置方案在我公司其它类似项目的设计中得到了推广,目前已经成为我公司300MW、600MW及1000MW级别锅炉钢架的固定布置方式。
4.2三根大板梁方案
百万级别锅炉本体荷载非常巨大,所有锅炉本体荷载全悬吊于顶板,通过大板梁传递给钢结构主框架。
大板梁做为最大的受力构件,其受力分析、结构设计更是重中之重。
K5列柱位置后移,大板梁根数减少为3根(K2,K3,K4)的同时,由于K2,K3列柱的位置并未调整,所以K4板梁承担的荷载会大大增加。
在此情况下,必须通过对K4板梁的截面进行准确计算,充分论证3根大板梁方案的可行性,从而最终确定K5列柱是否可以移动到锅炉后包墙之后。
以下分别是4根大板梁方案和3根大板梁方案的计算结果。
4根大板梁方案计算结果
7000X1600X40/100
1249
223
7600X1900X46/100
1318
277
K5
6700X1200X36/80
0.77
1255
161
839
7000X1100X40/100
1346
7600X1400X46/100
1495
6700X800X36/80
0.76
1356
3根大板梁方案计算结果
从以上计算结果表格中可以看出,在采用相同材质,保证同等安全(强度及变形均相当)的情况下,4根大板梁总重为839吨,而3根大板梁总重为735吨。
三根大板梁方案较四根大板梁方案减少重量约104吨。
从大板梁的用钢量、制作、运输及吊装成本来看,3根大板梁的方案更为经济。
而由于K4板梁的荷载变化,也使得K3板梁的承载也有了增加。
两根板梁逐步变为强度和刚度共同控制。
4.3ASTMA572(Gr50)材料在锅炉大板梁设计中的应用
Q345材料屈服强度会随着板厚的增加而降低,而ASTMA572(Gr50)材料屈服强度不随板厚的变化而变化。
当板厚为100mm时,Q345材料屈服强度为305MPa,ASTMA572(Gr50)材料屈服强度为345MPa,ASTMA572(Gr50)材料的屈服强度较Q345材料提高约13%,当板厚为120mm时,Q345材料屈服强度为285MPa,ASTMA572(Gr50)材料的屈服强度较Q345材料提高约21%。
这就意味着对于大板梁,若翼缘厚度≥100mm,采用ASTMA572(Gr50)材料,通过精心设计,钢材耗量将大大减少,节省钢材的效果将是很明显的。
大板梁的重量减少了,也将会节约制造、运输及安装的成本。
六横项目,大板梁承受的荷载巨大,并且大板梁的跨度达到39米,所以3根大板梁均按由上下半梁组成的叠梁设计。
K3,K4板梁,若采用Q345材料,初步估算翼缘的厚度需采用120mm,最重的半梁重量将达到185吨。
而安装现场的起吊能力只有180吨,所以在这种情况下,强度更高的ASTMA572(Gr50)材料就非常有优势。
采用ASTMA572(Gr50)材料,最重的半梁重量为160吨,满足现场的起吊要求。
K3,K4板梁采用Q345材料,两根板梁的总重为640吨,采用ASTMA572(Gr50)材料,两根板梁的总重为557吨。
从以上重量可以看出,两根大板梁采用ASTMA572(Gr50)材料后,共减重83吨。
根据制造单位测算,仅重量减轻一项,单台炉制造成本就节约45万元左右。
以下分别是K3,K4板梁采用ASTMA572(Gr50)材料和Q345材料的计算结果。
K3,K4板梁翼缘材料采用A572(50级)
557
K3,K4板梁翼缘材料采用Q345
8100X1600X46/120
1520
295
8300X2000X50/120
1548
345
640
8100X1250X46/120
1755
8300X1600X50/120
0.71
1829
5.钢结构制作
5.1钢结构制作工艺
整个锅炉钢结构重量约7000余吨,其中立柱的翼缘厚度最大达到100mm,柱底板的厚度达到120mm,所以制作过程中对型钢焊接变形的控制非常重要。
5.1.1在下料过程中,根据腹板、翼板规格调整割嘴位置以保证板的宽度,长度方向应留出相应的焊接收缩余量及机加工余量,如果主焊缝是全熔透焊缝,长度方向余量为30~50mm,非全熔透焊缝,长度方向余量为15~30mm。
柱的腹板和翼板端头下料前用角尺画线,确保两端齐平,每根柱子上主杆件上的板配齐后运往组焊班。
每块板上用记号笔标上序号及杆件号,要求准确、清晰。
5.1.2钢板拼接焊缝要用全焊透对接接头,其坡口型式、坡口加工及焊接按焊接工艺执行。
在组立机上组立成H型钢,组立时要求基准面端持平。
翼板标出宽度中心线,腹板标出组装定位线,并以此为基准进行H型钢组装。
作为焊缝一部分的定位焊,要满足最终焊缝的质量要求,同时焊上引弧板。
5.1.3H型钢焊接:
根据焊接工艺评定和焊接工艺规程,将组立完成的H型钢采用埋弧焊进行焊接,焊接时采用引弧板,确保端头的焊接质量。
焊缝厚度大于63mm的碳素结构钢和焊缝厚度大于51mm的低合金结构钢板,焊后应按规定立即消氢处里。
5.1.4H型钢矫正:
对于焊接引起的角变形,在翼板厚度不大于40时利用H型钢翼缘矫正机矫正,翼板厚度大于40mm时用火焰矫正。
5.1.5H型钢端铣:
对于柱子必须两端进行端铣,划线时必须采用弹簧尺进行测量,班组严格按给定尺寸进行端铣,端铣面毛刺应用铲把或磨光机立即去除。
柱一端铣好后由质检员用经计量合格的有校的二级尺测定长度。
5.1.6组装定位:
组装时在组装平台上进行,长度方向以端铣面作为定位基准,重点控制基准线到孔群距离,组装时一般先定位节点板,最后定位加强板,对于多组孔群用模板进行定位时必须采用冲头进行定位,防止自重引起偏差。
组装构件时要正确定位,可以采用夹头、斜块、支撑或其它适合手段固定就位后定位焊焊接,定位焊要牢固可靠,确保焊件不发生偏移、错位、变形等。
定位完后用钢印在标志端敲上钢印号。
5.2大板梁的制作方法
锅炉钢结构中的大板梁是整个锅炉的重要组成部分,因此大板梁的质量是要绝对保证的,拱度的控制,法兰面精度的控制是保证大板梁质量的重要环节。
掌握1000MW锅炉大板梁制作方法是企业对同类型锅炉制造在质量、制作工期、成本上一大突破。
该大板梁采用的工艺方法是腹板无余量下料代替多次下料。
先根据图纸和技术要求,以及原材料的外形尺寸,做出腹板的排版图,腹板上的拼接焊缝应错开筋板、错开孔群。
无余量下料就是将钢板零件一次下料后,经过板块组拼矫正后到腹板施焊完,板块经过多次冷热处理,最终零件尺寸的变化和拱度正好是施工完后所需尺寸。
将H型钢主角焊缝船型焊变成平焊。
采取H型钢放在平台上,调节焊机的焊接角度为45°
。
这样无需放在45°
焊接架上,从以前调整庞大H型钢的角度来焊接,改为现在调整埋弧焊机的机头就可以完成。
而且可以两侧的两条角焊缝同时施焊,这样对称焊多层焊可以尽量小的保证H型钢拱度变形,以及法兰面的角变形,提高质量。
焊好一个侧面再翻身,整个焊接过程只需翻一次身,而45°
船形焊要起吊翻身4次。
节约了成本、减少H型钢焊接过程中的翻身次数。
法兰面的矫正由采用200吨的千斤顶矫正架冷矫正并加适量的热矫正法,改成全由火焰热校正。
1000MW机组的法兰面的钢板厚度比600MW机组大多了,而且角焊缝采用热输入量小的多层平焊在角焊缝焊接过程中法兰面角变形相对较小,一般能控制在4mm以下,现采用直接火焰热矫正法。
火焰矫正可以将H型钢平放(即是H型钢角焊缝平焊的位置),变高空作业为地面作业,而且只需1名热矫正工来完成。
为了防止热矫正发生拱度变形化,在H型钢的两块翼缘板上同时安排热矫正,同步对称烘烤。
5.3六横项目大板梁制作方法的经济及社会效益情况
1000MW机组叠梁制作的科技项目攻关与应用,是在600MW机组锅炉钢架的制作经验基础上进行的,特别是对一些关键工序工艺的改进,大大降低了生产成本和管理成本,取得了显著的经济效益。
每道工艺改进后节约费用如下:
5.3.1无余量下料:
经过对气割、焊接收缩和预拱度的精确计算,此工艺无需再对板材下料放余量,也可以是腹板和翼板焊接后一次成型,不用再进行二次下料。
不仅节约了材料,节约了人工也可以省去吊机配合工作。
该项每根单梁节省12084元。
5.3.2H型钢主角焊缝有45°
船型焊改为平焊:
改为平焊后,焊接场地可以随便放在一个平台上就可以施焊,不需要特别制作胎具,也从以前的4次翻身变为1次翻身。
并且特制的45°
翻身的吊具无需制作了,该项每根单梁节省13200元。
5.3.3三道工序场地合并:
考虑到梁又长又重,截面也大,每次吊运翻身都需要100吨和63吨龙门吊抬吊。
所以改为翼缘和腹板组拼成H型钢后,不吊到胎架上进行焊接,直接在原地对型钢进行主角焊缝焊接。
主角焊缝检验合格后,不吊动H型钢,直接再上面进行连接板的组焊。
这样的优点就是:
H型钢拼装,主角焊缝焊接,连接板组焊,这三道工序都在一个场地进行,而且H型钢都是一个姿势,不仅节约了制作场地、工装,而且省去吊运翻身等工作。
该项每根单梁节省21200元。
5.3.4法兰面矫正:
法兰面的矫正由采用200
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