浙江不銹鋼管廠除塵風管抗風安全校核考核情況

至德鋼業(yè)以浙江不銹鋼管廠內(nèi)除塵風管為例，圍繞架空不銹鋼管道的抗臺風安全性展開校核。采用CAE應力分析計算和傳統(tǒng)計算兩種方法，考慮風向為垂直向下、水平橫向和垂直向上三種工況進行安全校核計算，算例結果可為該鋼廠管道抗風安保措施提出參考意見。在浙江省溫州市龍灣區(qū)不銹鋼管廠地處北回歸線以南的低緯地區(qū)，當?shù)氐蛪?、熱帶風暴、臺風影響頻繁，夏季平均風速3.1m/s，冬季平均風速4.3m/s，歷史最大風速26.7m/s，基本風壓86.7kg/m2。鋼廠內(nèi)存在大量架空管道，特別是除塵風管，其管徑大、架空高、跨距大、管系復雜，為確保這些管道的可靠性，提高管道的抗臺風安全性，有必要對室外架空除塵風管進行抗風校核計算。綜合性鋼廠涵蓋原料場、焦化、燒結、石灰、煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等眾多工藝單元，本文選取臨近海岸、地形開敞的原料場單元中具有代表性的不銹鋼管道區(qū)段開展核算。

一、校核計算方法

 各行業(yè)、各專業(yè)對不銹鋼管道的抗風設計、校核的重視程度不盡相同，有的對建設地是否因氣候條件而需考量抗風還缺乏敏感性。目前，針對不銹鋼管道的抗風設計、校核尚無專門的規(guī)程或標準，與其關聯(lián)的術語、定義、算法、驗證點分散在鋼結構、建筑荷載、海岸設施、工業(yè)管道等規(guī)范或設計手冊中，在形成明確合理的體系前，其思路和計算具有試探性、經(jīng)驗性、多樣性等特點。結合該鋼廠所在地區(qū)的氣候條件，本次計算采用較不利的情況進行校核，以確保管系有足夠的安全性。

 不銹鋼管系的抗風校核包括兩部分：

 1. 是不銹鋼管道本身的強度可抵御該地區(qū)臺風的影響以防形變和破壞；

 2. 不銹鋼管道與支承結構的配合能防止臺風時管道從管托處滑脫。本文主要論述管系校核，支承結構抗風安全性暫不討論。

 不銹鋼管道抗風校核采用CAE應力分析計算和傳統(tǒng)計算兩種方法，從以下幾個方面來考慮管系的安全性：

 1. 考慮風向垂直向下，與不銹鋼管道自重、積灰荷載耦合計算，校核管道的強度、剛度是否滿足要求，管道支架的跨距是否合理；

 2. 考慮風向水平橫向，與不銹鋼管道自重（不計灰重）耦合計算，校核管道和管托接觸面的應力是否滿足要求；

 3. 考慮風向垂直向上，與不銹鋼管道自重（不計灰重）耦合計算，校核管道是否被風力頂升。

二、典型算例

 1. 分析內(nèi)容與計算環(huán)境

 考慮在重力、風荷載等自身及外加作用條件下,對不銹鋼管道的強度、剛度進行校核。分析軟件采用通用有限元軟件ANSYS,硬件采用信息中心Z800高性能計算機。

  2. 管道布置與基本信息

 原料場單元某除塵系統(tǒng)，其南向外線管徑Φ1250mm×6mm、長160m、架高7.38m，支架平均跨距13.3m。在由北向南跨越公路處實際跨距最大，達到24.80m。不銹鋼管道用途為環(huán)境除塵用風管；管內(nèi)介質(zhì)為含塵空氣（鐵礦、焦炭、煤、雜礦等粉塵）；介質(zhì)溫度為常溫；介質(zhì)壓力比大氣壓略低，-6000Pa以內(nèi)；介質(zhì)流速為15~25m/s；管道壁厚見表。管內(nèi)積灰量：當管道直徑D≤1500，積灰高度按管道直徑的1/5計算,當管道直徑D>1500，積灰高度按管道直徑的1/10計算?；叶逊e密度為1500kg/m3。支架形式為導向支架，管道與管托間無焊接，管托與支架頂面焊接；管托角度為120°，即與管道1/3周長貼合。

 3. 管道建模

 以AutoCAD二維DWG圖紙為基本原型，采用ANSYSWorkbench協(xié)同仿真平臺的DesignModeler模塊軟件構建管道本體及管托的三維模型，再采用Meshing模塊軟件進行三維模型網(wǎng)格劃分，并符合信息中心《流體仿真規(guī)范》提出的網(wǎng)格質(zhì)量要求，從而使三維模型離散成由多種有限單元組成的計算模型。管道二維原型平面見圖，管道三維模型分見圖。

 4. 不銹鋼管道材料、邊界以及荷載

  a. 管道材料

  除塵風管為鋼板卷制焊管，Q235B是國內(nèi)常見、經(jīng)濟的碳素鋼板，使用溫度下限為0℃，因其伸長率和強度適中、韌性和鑄造性良好、易于沖壓和焊接而廣泛應用于焊接結構件的制作。管材參數(shù)見表。

 b. 邊界條件。

 按除塵風管的實際敷設情況，為便于計算，視區(qū)段管道的兩端節(jié)點為固定約束，即該節(jié)點在空間六向上不能移動，管道沿途的12個支承管托的底板與支架頂面焊接視為固定面，而管托的弧板與管道外表不焊接視為非固定導向滑動面，并允許管道在弧面上切向（橫向）錯動。管道兩端固定節(jié)點、管道沿途導向支點分別見圖。

 c. 荷載種類  

    ①. 管道自重，算例中除塵風管規(guī)格為Φ1250mm×6mm，其延米質(zhì)量為184.1kg/m。

    ②. 積灰荷載，除塵風管內(nèi)流轉(zhuǎn)介質(zhì)為含塵空氣，含塵濃度為0.5~10g/m3不等，管徑取定一般考慮流速不小于攜塵最低風速（例如礦物粉塵，14~16m/s），但實際運行中總有少量粉塵沉降于管底，而除塵風管清掃周期較長，靠近抽風末端側的管內(nèi)積灰高度可能達到1/5直徑。隨著支管逐漸匯集為枝狀管系，考慮管材經(jīng)濟性，靠近設備側的管道流速也逐步提高，在除塵器入口前可達20~22m/s，管內(nèi)粉塵沉降幾率進一步下降，清灰間隔內(nèi)積灰高度可能達到1/10直徑。Φ1250管道按1/5直徑考慮積灰高度，折合積灰面積約管道橫截面積的14.3%，其延米重量為442.3kg/m（粉塵堆積密度按1500kg/m3）。

    ③. 風荷載，即空氣流動對工程結構所產(chǎn)生的壓力，其大小與風速的平方成正比，與基本風壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度及結構體型等因素有關。該鋼廠所在濱海地區(qū)的基本風壓為0.867kN/m2，所處地塊地形平坦，地面粗糙度為海岸地區(qū)A類，管道距地面高度7.38m，查表并按插值法計算風壓高度變化系數(shù)。

 d. 荷載工況

   ①. 工況一

      當風由上垂直向下吹襲不銹鋼管道時，管道自重、積灰荷載和風荷載同向耦合疊加，對管道產(chǎn)生較不利影響，該工況的計算結果對于分析管道強度和剛度具有指針性。管道及支承分布如能應對此種風力影響，就可推定管道自身不會出現(xiàn)形變或破壞，滿足設計應用和生產(chǎn)使用要求。

  ②. 工況二

    當風水平橫向吹襲不銹鋼管道時，管道有沿管托弧板切向（橫向）錯動的趨勢，若不考慮積灰荷載僅計入管道自重，此趨勢會更加明顯。該工況的計算結果對于分析管道及支承分布的自持力和穩(wěn)定性具有代表性。管道及支承分布如能應對此種風力影響，就可推定管道就不會從管托中滑脫，不銹鋼管道也不會形變或破壞，管道安全性進一步提高。

  ③. 工況三

    當風由下垂直向上吹襲不銹鋼管道時，管道有被風力頂起上升并脫離管托的趨勢，如不考慮積灰荷載僅考量管道自重，隨管徑和壁厚減小此趨勢會愈加明顯，該工況的計算結果對于分析管道與支承分布間是否設置抱持構件具有指導意義。管道脫離管托是一種隱患，在風向驟變后可能導致不銹鋼管道滑脫或鄰近支架過載，影響管系安全。

 e. 校核結果

  荷載工況一和工況二采用CAE應力分析計算對前述有限元模型仿真模擬，荷載工況三采用傳統(tǒng)計算并用比較法進行推定。

  ①. 工況一結果

   工況一管道位移分布、工況一管道應力分布、工況一管道于管托區(qū)域應力分布分別見圖。計算結果表明，在荷載工況一條件下，管道最大位移為21.96mm，位于24.80m跨中間下部，跨間管道撓度f=21.96/24800=1/1129，小于撓度推薦限值1/600；管道最大應力為53.70MPa，小于材料許用應力113MPa。管道受強風吹襲不會發(fā)生形變或破壞，管系安全。若管道撓度過大或應力超過許用值，則應在適宜位置處增設支承構件。

 ②. 工況二結果

   工況二管道位移分布、工況二管道應力分布、工況二管道于管托區(qū)域應力分布分別見圖。計算結果表明，在荷載工況二條件下，不銹鋼管道最大位移為7.08mm，位于24.80m跨中間側部，跨間管道撓度f=7.08/24800=1/3502，小于撓度推薦限值1/600；管道最大應力為32.08MPa，小于材料許用應力113MPa。管道受強風吹襲不會從管托中滑脫，管系安全。

  ③. 工況三結果

   室外除塵風管的立面敷設區(qū)間一般為距地6.5~22.5m，主體通常距地15m以下。設定不銹鋼管道平均高度為15m，分列計算各特征管徑所承受的強風影響。管道自重與風荷載比率見表。計算結果表明，在風垂直向上且管內(nèi)無積灰或積灰很少（例如管道新裝或清灰后）工況條件下，Φ500及以下管道的自重無法抵御強風頂升，Φ800管道的自重與風力幾近持平，Φ1500以上管道的自重有充分裕量壓制風力。為消除管系安全隱患，對位于室外的Φ1500及以下管道在支架處增設∩形抱持構件。

三、結論

 相對于實際環(huán)境中風的復雜流動情況，本文圍繞簡化的、趨于保守的3種荷載工況對管道開展CAE仿真模擬計算和傳統(tǒng)計算，從不銹鋼管道是否形變、破壞及滑脫等角度對管系抗風能力進行校核，通過比對計算結果和界定值，推定管系在臺風天氣下能否安全運行，并提出如何消弭可能存在的隱患的方法。在一些浙江不銹鋼管廠數(shù)個單元參照此思路展開抗臺風安全性核查，結果表明大部分管道滿足運行要求，局部計算數(shù)據(jù)超過界定值的管道采取相應的補充措施。時隔數(shù)月，浙江不銹鋼管廠遭遇15級臺風直接侵襲，多處高聳廠房和大型設備受損，而前述已校核單元的除塵風管經(jīng)受住臺風的考驗。由此可見，強風地區(qū)的建設項目有必要開展抗風校核。