某發電廠鍋爐鋼結構安全性鑒定評估

　　武景韜 鄭建華 寧 濤
　　（中冶建筑研究總院（上海）有限公司，上海200433）
　　摘 要：某發電廠進行脫硫脫硝改造，要求對鍋爐鋼結構進行改造，并由原生產商（外商）按照國外標準進行了改造設計；本文按照國家現行規范標準，對該鍋爐鋼結構的改造設計進行了驗算分析，并按（參）照有關鑒定標準對其安全性進行了鑒定評估，可為今后同類工程參考。
　　關鍵詞：脫硫脫硝改造；鍋爐鋼結構；可靠性鑒定

　　1 引 言
　　隨著經濟的發展，國家對能源的需求量愈來愈大，能源問題日益凸顯，2009年以來，關于控制氮氧化物和二氧化硫排放的政策不斷出臺，現役電廠的脫硫脫硝改造工程已在近年大規模推行。
　　本文針對某電廠鍋爐鋼結構的脫硫脫硝改造，應用有限元軟件，根據中國規范對其進行地震作用下的安全性分析。
　　2 工程概況
　　該鍋爐鋼框架為七層帶中心支撐的純鋼結構框架，平面呈矩形，平面尺寸46m(K～P1a)×36m(202a～206c)，主體框架高70.2m，主要平臺標高為+12.000m、+22.200m、+31.600m、+41.500m、+50.700m、+60.400m、+70.200m。該機組鍋爐鋼框架柱采用H型鋼鋼柱，采用T型鋼、H型鋼、雙L型鋼、雙槽鋼水平支撐及垂直支撐。基礎為樁基礎，鋼筋混凝土承臺，柱底標高-0.950m，承臺頂標高-3.250m。下圖為典型結構平面圖和立面圖：

　　此鍋爐鋼結構由國外生產廠商進行脫硫脫硝改造設計，主要改造部位如下所示：P1立面改造較大，由于脫硫脫硝工程有新增管道，P1立面4層、5層間的豎向支撐需要剪短
　　并加固。其余結構加固部位在2至5層軸線P1、P1a處，如下圖2-4 到圖2-8紅色云線所示。

　　3 鍋爐鋼結構模態分析
　　3.1 結構模型
　　本結構根據原始施工圖及改造圖紙，用有限元結構計算軟件sap2000建立改造后的結構模型，如圖3-1所示：
　　3.2 結構振型
　　結構系統前幾階固有頻率對地震影響的貢獻比較大，所以在計算中只考慮前幾階模態，可使得計算得以大大簡化。計算得模型前三階振型，每階振型由等軸視圖（a）、側視圖（b）和俯視圖（c）三個不同的角度來表示，如下所示：

圖3-2鍋爐鋼結構一階振型圖

圖3-3鍋爐鋼結構二階振型圖
 

　　　　圖3-4鍋爐鋼結構三階振型圖

　　結構自振周期如下表所示：

　　由上述圖像及表格可以看出，結構的第一階振型為Y向水平彎剪振型，第二階振型為X向水平彎剪振型，說明鋼架在動力作用下表現出懸臂梁的特性。第三階為XY平面的扭轉振型，主要是由于鍋爐懸吊與鋼架上，使鋼架附加質量較大，鋼架的質心和剛度中心不重合。第一、第二周期比T1/T2=1.03，結構縱橫兩周期比較接近，說明結構兩方向剛度均勻，結構較為規則，抗震性能好。扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一周期T1比T3/T1=0.76，說明此結構抗側力構件布置較為有效合理。
　　4 鍋爐鋼結構振型分解反應譜分析
　　4.1 材料強度
　　查閱原竣工圖紙，鋼框架原設計采用日本標準SS41（一般構件）、SM41、SM50（焊接構件及部分柱）號鋼，其中SS41、SM41號鋼的鋼材強度設計值與我國現行設計規范的Q235號鋼的鋼材強度設計值相近，SM50號鋼的鋼材強度設計值與我國現行設計規范的Q345號鋼的鋼材強度設計值相近。現場采用里氏硬度計對鋼框架鋼柱的材料性能進行檢測，測試結果表明，鋼柱實測里氏硬度值換算成極限抗拉強度后，可以滿足Q235號及Q345號鋼材的相關技術要求。但原設計中，SS41、SM41、SM50號鋼與我國現行設計規范規定的鋼材厚度對鋼材強度的折減不一致，本次結構驗算按照原設計說明執行。
　　4.2 鍋爐鋼結構計算荷載
　　本工程所在地為8度設防，IV類場地，設計地震分組第一組，特征周期Tg=0.065s，結構阻尼比ζ=0.02，地震影響系數最大值αmax=0.08，不計豎向地震作用。基本風壓
　　ω 0=0.55kN/m2。
　　根據現場情況、《建筑結構荷載規范》、《鍋爐鋼結構設計規范》和《構筑物抗震設計規范》，確定鍋爐鋼結構的永久荷載、偶然荷載、風荷載、地震作用以及荷載組合。
　　4.3 鍋爐鋼結構抗震構造措施
　　由于電廠機組單機容量為350MW，因此該鍋爐鋼結構為乙類建筑，抗震構造措施按本地區抗震設防烈度提高一度對該鋼框架結構進行抗震構造措施鑒定，主要鑒定結果如下。
　　(1)鍋爐鋼框架高度約為70.2m，按照抗震構造措施8 度設防烈度設防，鋼框架主柱長細比基本滿足要求。
　　(2)鍋爐鋼框架柱、梁主要采用工字形截面，腹板較高梁采用橫向加勁肋，主要構件板件寬厚比基本滿足要求。
　　(3)鍋爐鋼框架支撐桿件主要采用工字型鋼、T型鋼、H型鋼、雙L型鋼、雙槽鋼，主要支撐桿件長細比基本滿足要求，主要支撐桿件的板件寬厚比基本滿足要求。
　　(4)2鍋爐鋼框架柱采用埋入式柱腳；梁柱連接基本采用剛接，柱在梁翼緣對應位置均設置橫向加勁肋。基本滿足《鍋爐鋼結構設計規范》以及《構筑物抗震鑒定標準》（2012版，送審）的相關要求。
　　(5)鍋爐鋼框架結構為中心支撐的純鋼結構框架，支撐采用人字形、X形支撐，基本滿足《鍋爐鋼結構設計規范》的相關要求。
　　通過對本鍋爐鋼結構框架抗震構造措施進行鑒定，可知，該結構主要抗震構造措施基本滿足現行《鍋爐鋼結構設計規范》、《GB50191－2012構筑物抗震設計規范》、《構筑物抗震鑒定標準》（新版送審稿）以及《高聳與復雜鋼結構檢測與鑒定技術標準》(新版送審稿)的要求。
　　4.4 結構承載力驗算結果
　　(1)根據計算結果可知，鍋爐鋼結構構件截面抗震驗算基本滿足《GB50191－2012構筑物抗震設計規范》和《鍋爐鋼結構設計規范》，其中較薄弱部位為：位于6層和7層、P1軸和M1軸間的斜撐應力比接近1，分別為0.964和0.925，是較薄弱部位。另外，在結構頂層，軸線L1左側和M1右側水平支撐L200x200x15應力比較大，接近1，其中M1和102b出的水平支撐應力比為1.004。如下圖4-1所示：

　　由上述計算結果，依據《GB50144-2008工業建筑可靠性鑒定標準》，可知，對于大多數構件R/Sγ0≧1，承載力等級為a級，符合國家現行標準規范的安全性要求，不必采取措施。個別構件0.95≦R/Sγ0≦1，承載力等級為b級，略低于國家現行標準規范的安全性要求，仍能滿足結構安全性下限水平要求，不影響安全，可不必采取措施。
　　(2)由結構模態分析及抗震構造措施可知，本工程鍋爐鋼架結構布置合理，結構形式和構件選、整體性構造和連接等基本符合國家現行標準。支撐系統布置合理完整，支撐桿件長細比及節點構造基本符合現行國家標準規范的要求，無明顯缺陷或損傷。根據《GB50144-2008工業建筑可靠性鑒定標準》，結構整體性評定等級應該為A級。沿鍋爐鋼架高度方向將其劃分為若干單層子結構，以每層樓板及其下部相連的柱子、梁為一個子結構，每個子結構構件集中不含有c級、d級構件，含有b級構件遠小于30%，根據《GB50144-2008工業建筑可靠性鑒定標準》，結構承載功能等級為A 級。
　　(3)鋼框架頂層鍋爐吊架各吊桿共承擔鍋爐重量共約近4600t，目前現狀正常，支架及吊桿未發現明顯變形、損壞及嚴重銹蝕，本次增加荷載作用于鍋爐本體部分相對鍋爐重量較小，因此，鍋爐吊架、吊桿應可滿足本次改造要求。
　　4.5 結論及建議
　　主要抗震鑒定結論如下：
　　(1)電廠鍋爐鋼框架維護得當，目前結構現狀基本正常，該框架總體屬輕微銹蝕，局部嚴重銹蝕，目前，銹蝕尚未對結構承載能力造成明顯影響，+60.400m平臺局部水平支撐變形。本次改造涉及到的區域，現狀基本良好，僅局部構件輕微銹蝕及積灰。
　　(2)電廠鍋爐鋼框架主要結構抗震構造措施基本滿足要求。
　　(3)按照改造方案，電廠鍋爐鋼框架結構柱、梁、垂直支撐、水平支撐承載力滿足改造要求；頂部鍋爐吊架、吊桿承載力滿足改造要求。
　　對鍋爐鋼結構改造建議如下：
　　(1)對銹蝕構件，重點是鋼框架柱腳、吊桿與吊架連接彈簧阻尼罩底部進行除銹后重新防護；對銹蝕嚴重平臺梁連接螺栓蓋板進行更換；對少數歪斜的彈簧阻尼保護罩修復或更換；并定期對鋼框架容易積灰的柱腳、支撐的積灰進行清理。
　　(2)改造施工時，對改造區域內鋼框架結構進行必要的保護，以免受損。
　　(3)對局部彎曲、扭轉變形的桿件進行修復。
　　(4)改造后，對改造時增加吊架的梁定期進行檢查。
　　5 結論和展望
　　由上述結果可知，本工程鍋爐鋼結構脫硫脫硝改造后在地震作用下滿足中國規范要求。然而，由于這種計算方法仍然是把鍋爐本體及相關管道當做永久荷載施加于鍋爐鋼架上，并沒有在考慮鍋爐本體及管道的剛度在地震作用下的貢獻，使得結果偏于保守。事實上，由于管道和鍋爐尤其是鍋爐本體，其本身是有一定剛度的，在地震作用下可以變形吸收地震能量，從而使得結構所受地震力減小。這在鍋爐鋼結構改造鑒定及分析中，應當予以重視。
　　參考文獻
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