某发电厂锅炉钢结构安全性鉴定评估

　　武景韬 郑建华 宁 涛
　　（中冶建筑研究总院（上海）有限公司，上海200433）
　　摘 要：某发电厂进行脱硫脱硝改造，要求对锅炉钢结构进行改造，并由原生产商（外商）按照国外标准进行了改造设计；本文按照国家现行规范标准，对该锅炉钢结构的改造设计进行了验算分析，并按（参）照有关鉴定标准对其安全性进行了鉴定评估，可为今后同类工程参考。
　　关键词：脱硫脱硝改造；锅炉钢结构；可靠性鉴定

　　1 引 言
　　随着经济的发展，国家对能源的需求量愈来愈大，能源问题日益凸显，2009年以来，关于控制氮氧化物和二氧化硫排放的政策不断出台，现役电厂的脱硫脱硝改造工程已在近年大规模推行。
　　本文针对某电厂锅炉钢结构的脱硫脱硝改造，应用有限元软件，根据中国规范对其进行地震作用下的安全性分析。
　　2 工程概况
　　该锅炉钢框架为七层带中心支撑的纯钢结构框架，平面呈矩形，平面尺寸46m(K～P1a)×36m(202a～206c)，主体框架高70.2m，主要平台标高为+12.000m、+22.200m、+31.600m、+41.500m、+50.700m、+60.400m、+70.200m。该机组锅炉钢框架柱采用H型钢钢柱，采用T型钢、H型钢、双L型钢、双槽钢水平支撑及垂直支撑。基础为桩基础，钢筋混凝土承台，柱底标高-0.950m，承台顶标高-3.250m。下图为典型结构平面图和立面图：

　　此锅炉钢结构由国外生产厂商进行脱硫脱硝改造设计，主要改造部位如下所示：P1立面改造较大，由于脱硫脱硝工程有新增管道，P1立面4层、5层间的竖向支撑需要剪短
　　并加固。其余结构加固部位在2至5层轴线P1、P1a处，如下图2-4 到图2-8红色云线所示。

　　3 锅炉钢结构模态分析
　　3.1 结构模型
　　本结构根据原始施工图及改造图纸，用有限元结构计算软件sap2000建立改造后的结构模型，如图3-1所示：
　　3.2 结构振型
　　结构系统前几阶固有频率对地震影响的贡献比较大，所以在计算中只考虑前几阶模态，可使得计算得以大大简化。计算得模型前三阶振型，每阶振型由等轴视图（a）、侧视图（b）和俯视图（c）三个不同的角度来表示，如下所示：

图3-2锅炉钢结构一阶振型图

图3-3锅炉钢结构二阶振型图
 

　　　　图3-4锅炉钢结构三阶振型图

　　结构自振周期如下表所示：

　　由上述图像及表格可以看出，结构的第一阶振型为Y向水平弯剪振型，第二阶振型为X向水平弯剪振型，说明钢架在动力作用下表现出悬臂梁的特性。第三阶为XY平面的扭转振型，主要是由于锅炉悬吊与钢架上，使钢架附加质量较大，钢架的质心和刚度中心不重合。第一、第二周期比T1/T2=1.03，结构纵横两周期比较接近，说明结构两方向刚度均匀，结构较为规则，抗震性能好。扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一周期T1比T3/T1=0.76，说明此结构抗侧力构件布置较为有效合理。
　　4 锅炉钢结构振型分解反应谱分析
　　4.1 材料强度
　　查阅原竣工图纸，钢框架原设计采用日本标准SS41（一般构件）、SM41、SM50（焊接构件及部分柱）号钢，其中SS41、SM41号钢的钢材强度设计值与我国现行设计规范的Q235号钢的钢材强度设计值相近，SM50号钢的钢材强度设计值与我国现行设计规范的Q345号钢的钢材强度设计值相近。现场采用里氏硬度计对钢框架钢柱的材料性能进行检测，测试结果表明，钢柱实测里氏硬度值换算成极限抗拉强度后，可以满足Q235号及Q345号钢材的相关技术要求。但原设计中，SS41、SM41、SM50号钢与我国现行设计规范规定的钢材厚度对钢材强度的折减不一致，本次结构验算按照原设计说明执行。
　　4.2 锅炉钢结构计算荷载
　　本工程所在地为8度设防，IV类场地，设计地震分组第一组，特征周期Tg=0.065s，结构阻尼比ζ=0.02，地震影响系数最大值αmax=0.08，不计竖向地震作用。基本风压
　　ω 0=0.55kN/m2。
　　根据现场情况、《建筑结构荷载规范》、《锅炉钢结构设计规范》和《构筑物抗震设计规范》，确定锅炉钢结构的永久荷载、偶然荷载、风荷载、地震作用以及荷载组合。
　　4.3 锅炉钢结构抗震构造措施
　　由于电厂机组单机容量为350MW，因此该锅炉钢结构为乙类建筑，抗震构造措施按本地区抗震设防烈度提高一度对该钢框架结构进行抗震构造措施鉴定，主要鉴定结果如下。
　　(1)锅炉钢框架高度约为70.2m，按照抗震构造措施8 度设防烈度设防，钢框架主柱长细比基本满足要求。
　　(2)锅炉钢框架柱、梁主要采用工字形截面，腹板较高梁采用横向加劲肋，主要构件板件宽厚比基本满足要求。
　　(3)锅炉钢框架支撑杆件主要采用工字型钢、T型钢、H型钢、双L型钢、双槽钢，主要支撑杆件长细比基本满足要求，主要支撑杆件的板件宽厚比基本满足要求。
　　(4)2锅炉钢框架柱采用埋入式柱脚；梁柱连接基本采用刚接，柱在梁翼缘对应位置均设置横向加劲肋。基本满足《锅炉钢结构设计规范》以及《构筑物抗震鉴定标准》（2012版，送审）的相关要求。
　　(5)锅炉钢框架结构为中心支撑的纯钢结构框架，支撑采用人字形、X形支撑，基本满足《锅炉钢结构设计规范》的相关要求。
　　通过对本锅炉钢结构框架抗震构造措施进行鉴定，可知，该结构主要抗震构造措施基本满足现行《锅炉钢结构设计规范》、《GB50191－2012构筑物抗震设计规范》、《构筑物抗震鉴定标准》（新版送审稿）以及《高耸与复杂钢结构检测与鉴定技术标准》(新版送审稿)的要求。
　　4.4 结构承载力验算结果
　　(1)根据计算结果可知，锅炉钢结构构件截面抗震验算基本满足《GB50191－2012构筑物抗震设计规范》和《锅炉钢结构设计规范》，其中较薄弱部位为：位于6层和7层、P1轴和M1轴间的斜撑应力比接近1，分别为0.964和0.925，是较薄弱部位。另外，在结构顶层，轴线L1左侧和M1右侧水平支撑L200x200x15应力比较大，接近1，其中M1和102b出的水平支撑应力比为1.004。如下图4-1所示：

　　由上述计算结果，依据《GB50144-2008工业建筑可靠性鉴定标准》，可知，对于大多数构件R/Sγ0≧1，承载力等级为a级，符合国家现行标准规范的安全性要求，不必采取措施。个别构件0.95≦R/Sγ0≦1，承载力等级为b级，略低于国家现行标准规范的安全性要求，仍能满足结构安全性下限水平要求，不影响安全，可不必采取措施。
　　(2)由结构模态分析及抗震构造措施可知，本工程锅炉钢架结构布置合理，结构形式和构件选、整体性构造和连接等基本符合国家现行标准。支撑系统布置合理完整，支撑杆件长细比及节点构造基本符合现行国家标准规范的要求，无明显缺陷或损伤。根据《GB50144-2008工业建筑可靠性鉴定标准》，结构整体性评定等级应该为A级。沿锅炉钢架高度方向将其划分为若干单层子结构，以每层楼板及其下部相连的柱子、梁为一个子结构，每个子结构构件集中不含有c级、d级构件，含有b级构件远小于30%，根据《GB50144-2008工业建筑可靠性鉴定标准》，结构承载功能等级为A 级。
　　(3)钢框架顶层锅炉吊架各吊杆共承担锅炉重量共约近4600t，目前现状正常，支架及吊杆未发现明显变形、损坏及严重锈蚀，本次增加荷载作用于锅炉本体部分相对锅炉重量较小，因此，锅炉吊架、吊杆应可满足本次改造要求。
　　4.5 结论及建议
　　主要抗震鉴定结论如下：
　　(1)电厂锅炉钢框架维护得当，目前结构现状基本正常，该框架总体属轻微锈蚀，局部严重锈蚀，目前，锈蚀尚未对结构承载能力造成明显影响，+60.400m平台局部水平支撑变形。本次改造涉及到的区域，现状基本良好，仅局部构件轻微锈蚀及积灰。
　　(2)电厂锅炉钢框架主要结构抗震构造措施基本满足要求。
　　(3)按照改造方案，电厂锅炉钢框架结构柱、梁、垂直支撑、水平支撑承载力满足改造要求；顶部锅炉吊架、吊杆承载力满足改造要求。
　　对锅炉钢结构改造建议如下：
　　(1)对锈蚀构件，重点是钢框架柱脚、吊杆与吊架连接弹簧阻尼罩底部进行除锈后重新防护；对锈蚀严重平台梁连接螺栓盖板进行更换；对少数歪斜的弹簧阻尼保护罩修复或更换；并定期对钢框架容易积灰的柱脚、支撑的积灰进行清理。
　　(2)改造施工时，对改造区域内钢框架结构进行必要的保护，以免受损。
　　(3)对局部弯曲、扭转变形的杆件进行修复。
　　(4)改造后，对改造时增加吊架的梁定期进行检查。
　　5 结论和展望
　　由上述结果可知，本工程锅炉钢结构脱硫脱硝改造后在地震作用下满足中国规范要求。然而，由于这种计算方法仍然是把锅炉本体及相关管道当做永久荷载施加于锅炉钢架上，并没有在考虑锅炉本体及管道的刚度在地震作用下的贡献，使得结果偏于保守。事实上，由于管道和锅炉尤其是锅炉本体，其本身是有一定刚度的，在地震作用下可以变形吸收地震能量，从而使得结构所受地震力减小。这在锅炉钢结构改造鉴定及分析中，应当予以重视。
　　参考文献
　　[1] GB/T22395-2008 锅炉钢结构设计规范.
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　　[4]《构筑物抗震鉴定标准》（新版送审稿）
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　　[7] 林彬.王毅.简述振型分解反应谱法在锅炉钢结构地震分析中的应用.
　　[8] 孙增寿，魏星.火力发电厂锅炉框架地震反应分析.工业建筑.2000.
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