浅谈电站锅炉钢结构的设计

发表时间:2019/12/16   来源:《当代电力文化》2019年第16期   作者:黄波
[导读] 本文就锅炉钢结构的布置,材料,节点等问题进行探讨。
         摘要:锅炉钢结构的设计影响着锅炉的安全稳定运行。本文就锅炉钢结构的布置,材料,节点等问题进行探讨。
         关键词:电站锅炉;钢结构;设计
         引言
         进入21世纪,随着国家经济的快速增长,火力发电市场也迅猛发展。作为火力发电主设备之一的锅炉,短短十年间就完成了从亚临界300MW到超超临界1000MW技术的飞跃。为适应大型电站锅炉发展的需求,锅炉钢结构从设计,制造,安装等诸方面技术均得以全面提升。本文从锅炉钢结构的布置,材料选用,节点连接等几个方面阐述了一些钢结构的设计要求。
        
1.锅炉钢结构的布置
1)锅炉钢结构应根据锅炉的特点和外界条件,选择承载性能好又经济合理的结构体系。平面和立面布置宜规则、对称、并应具有良好的整体性,尽量避免结构的刚度突变。
2)为保证结构的空间工作,提高结构的整体刚度,承担和传递水平力,避免压杆的侧向失稳,以及保证结构安装时的稳定,应根据结构的具体情况,设置可靠的支撑系统。
3)结构受力简单明确,应具有合理的竖向和水平荷载(作用)的传递途径。具有必要的承载能力,足够大的刚度,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失承载能力。
4)柱距的确定应兼顾场地、设备和锅炉钢结构本身的受力要求,选取合理的柱距。
5)柱宜布置在同一轴线,以便在此轴线上组成有一定刚度的垂直平面钢结构。
6)梁的布置应满足锅炉本体和附属设备的要求,同时考虑平台的支撑,同一层梁的标高宜尽可能一致,梁的布置不宜过密,且距离尽量均匀。
7)平台标高与各种门、孔标高的距离宜在800?mm~1200?mm左右,以便于操作。在综合考虑各种因素后,根据实际情况确定平台支撑结构的标高。
8)锅炉钢结构及其组成构件应结构简单、制造方便;尽量使构件具有兼用性,充分利用构件的特性,使构件承担多项作用;构件应避免运输超重、超限,易于安装就位。

2.锅炉钢结构的材料选用
1)为保证锅炉钢结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏,应根据结构的重要性和工作环境等因素选用合适的钢材。锅炉钢结构的主要受力结构宜采用Q235钢、Q355钢、Q390钢和Q420钢,其质量标准应分别符合GB/T 700和GB/T 1591的规定。
2)主要受力构件的钢材应具有屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、冷弯试验和硫、磷含量的合格保证,对焊接结构应具有碳当量的合格保证。
3)抗震设防的锅炉钢结构的主要抗侧力构件所使用的钢材应符合下列规定:
a)钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85;
b)钢材应有明显的屈服台阶,且伸长率不应小于20?%;
c)钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性。
4)采用焊接连接的钢结构,当钢板厚度不小于40?mm且沿板厚方向有较高撕裂拉力作用,包括较高约束拉应力作用时,,其材质宜符合GB/T 5313关于Z15级的规定。
5)顶板板梁板厚大于40?mm时,原材料宜以正火状态供货。
6)地脚锚栓可选用Q235钢或Q355钢。
7)高强度螺栓连接副应符合GB/T 1228、GB/T 1229、GB/T 1230、GB/T 1231或GB/T 3632的规定。
8)手工焊接采用的焊条应符合GB/T 5117或GB/T 5118的规定。自动焊接或半自动焊接采用的焊丝和相应的焊剂应符合现行国家标准的规定。
9)钢材的强度设计指标,焊缝的强度设计指标,螺栓连接的强度设计值,均应符合相应的现行国家标准的要求。
10)为了不影响结构或构件的正常使用和观感,应对结构或构件的变形(位移或挠度)规定相应的限值。当有实践经验或有特殊要求时,可根据不影响正常使用和观感的原则进行适当的调整。计算结构或构件的变形时,可不考虑螺栓孔引起的截面削弱。

3.节点连接设计
1)焊接连接设计
锅炉钢结构的焊接连接除需满足相关规范的计算公式以外,还应符合下面的要求:
a)焊缝金属应与主体金属相适应,当不同强度的钢材连接时,可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。
b)焊缝的质量等级应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况确定,锅炉钢结构的焊缝质量等级应按相应的标准规定执行。
c)在设计中不得任意加大焊缝,避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝,同时焊缝的布置应尽可能对称于构件形心轴。
d)钢板的拼接当采用对接焊缝时,纵横两方向的对接焊缝,可采用十字形交叉或T形交叉,当为T形交叉时,交叉点的距离不得小于200mm。
e)焊接结构是否需要采用焊前预热或焊后热处理等特殊措施,应根据钢材性质、焊件厚度、焊接工艺、施焊时的气温以及结构的性能要求等综合因素来确定。
f)对接焊缝的坡口形式,宜根据板厚和施工条件按GB 50661的规定选用。


g)在对接焊缝的拼接处,当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4?mm以上时,应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1∶2.5的斜角。
h)对接与角接组合焊缝和T形接头的全焊透坡口焊缝应采用角焊缝加强,加强焊脚尺寸不应大于坡口焊接件厚度的1/2,但最大值不得超过10?mm。
i)在次要构件或次要焊缝连接中,可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于10hf或50?mm,其净距不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件),t为较薄焊件的厚度。
j)当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时,每条侧面角焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离;同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于16t(当t>12?mm)或200?mm(当t≤12?mm),t为较薄焊件的厚度。
k)在搭接连接中,搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍,并不得小于25?mm。
l)杆件与节点板的连接焊缝,宜采用两面侧焊,也可用三面围焊,对角钢杆件允许采用L形围焊,所有围焊的转角处必须连续施焊。
m)当角焊缝的端部在构件转角处作长度为2hf的绕角焊时,转角处必须连续施焊。
n)塞焊和槽焊焊缝的尺寸、间距和焊缝高度应符合GB 50661的规定。
o)焊接结构应考虑焊接所需的操作空间。

2)高强度螺栓连接设计
锅炉钢结构高强度螺栓连接设计应符合下面的构造要求:
a)每一杆件在节点上以及拼接接头的一端,其连接的高强度螺栓数量不应少于2个。
b)梁端高强度螺栓连接角钢或端板高度,宜不小于梁高的60?%。
c)高强度螺栓标准孔和大圆孔应采用钻孔,槽孔可采用铣孔方法。承压型连接的高强度螺栓应采用标准孔,摩擦型连接的高强度螺栓可采用标准孔、大圆孔和槽孔。
d)按标准孔型设计的高强度螺栓孔当需要扩孔时,扩钻后的孔径不应超过1.2倍螺栓直径,且扩孔数量不得超过该节点螺栓数量的25?%。当扩孔直径超过1.2倍螺栓直径或扩孔数量超过该节点螺栓数量的25?%时,应按大圆孔或槽孔进行核算。
e)当高强度螺栓孔位需补焊重钻时,补焊重钻的数量不得超过该节点螺栓数量的20?%。
f)在同一连接接头中,高强度螺栓连接不得与普通螺栓连接并用,承压型高强度螺栓连接不得与焊接连接并用。
g)在高强度螺栓连接处,应考虑专用施工机具的操作空间。
h)在摩擦型高强度螺栓连接范围内,构件接触面应进行摩擦面处理并达到设计要求。摩擦面处理后生成赤锈的表面,其摩擦面抗滑移系数会有所提高,在安装前应除去浮锈。
i)对于加固改造以及现场处理,摩擦面可以采用手工砂轮打磨的方法,此时砂轮打磨的方向应与受力方向垂直,打磨的范围不应小于4倍螺栓直径。手工砂轮打磨处理的摩擦面抗滑移系数离散相对较大,需要试验确定。
j)强度螺栓长度在终拧后宜外露2~3个螺距。
k)高强度螺栓连接副的施工一般情况下应分为初拧和终拧。对于大型节点应分为初拧、复拧和终拧。初拧扭矩和复拧扭矩为终拧扭矩的50?%左右。高强度螺栓连接副的初拧、复拧和终拧宜在一天内完成。
3)栓焊连接
锅炉钢结构在同一接头同一受力部件上,在改建、加固或有特殊需要时允许采用侧面角焊缝和高强度螺栓摩擦型连接的栓焊并用连接,并考虑其共同工作,栓焊并用连接应符合下列规定:
a)平行于受力方向的侧焊缝端部起弧点距板边不应小于焊高,且与最外端的螺栓距离不应小于1.5;同时侧焊缝末端应连续绕角不小于2长度;
b)栓焊并用连接的连接板边缘与焊件边缘距离不应小于30?mm。
c)栓、焊各自受剪承载力设计值相差不超过3倍;
d)在既有摩擦型高强度螺栓连接接头上新角焊缝加固补强时,摩擦型高强度螺栓连接和角焊缝连接应分别承担加固焊接前的荷载和新增加的荷载;
e)栓焊并用连接的施工顺序采用先栓后焊时,应在焊接24小时后对离焊缝100?mm范围内的高强度螺栓补拧,补拧扭矩为施工终拧扭矩值。若为改造工程,在既有摩擦型连接的高强度螺栓不能进行补拧时,高强度螺栓的承载力应按降低10%考虑;
f)摩擦型高强度螺栓连接不宜与垂直受力方向的角焊缝(端焊缝)单独并用连接。
g)锅炉钢结构在同一接头中,允许按不同受力部位分别采用焊缝和摩擦型高强度螺栓所组成的栓焊混用连接并考虑其共同工作,栓焊混用连接应符合下列规定:
h)栓焊混用的连接接头施工顺序宜在高强度螺栓初拧后进行焊接,然后再进行高强度螺栓终拧。
i)当采用先终拧高强度螺栓再进行焊接的施工工序时,高强度螺栓的承载力应降低10?%。

         结语:
         作为大型工业建筑钢结构,区别于一般建筑钢结构,电站锅炉钢结构有着自身的特点,因此我们在做锅炉钢结构设计时,应针对其自身特点,做出相应的设计方案及策略。
        
         参考文献
         GB 50017 钢结构设计规范
         GB/T 22395 锅炉钢结构设计规范
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