复杂工况下发电厂钢煤斗不锈钢内衬的设计分析

王智磊，祝 建，何江飞

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

复杂工况下发电厂钢煤斗不锈钢内衬的设计分析

王智磊，祝 建，何江飞

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

燃煤发电厂中作为储煤结构的钢煤斗，在运行温度高、堆煤高度高的工况下，沿用常规采用的煤斗内衬设计方式可能存在安全隐患，在温度作用下煤斗内衬产生起拱现象。结合规范公式和数值模型分析了内衬起拱时，塞焊点承受的贮料切向力、起拱积煤重力和温度的共同作用，并结合某工程案例进行了计算。在此基础上，提出了增大塞焊缝尺寸、在各层不锈钢板搭接处施加角焊缝，以防止因施工缺陷导致温度荷载增加的优化设计方案。采用此方案处理后，机组经过6个月同等工况运行后，内衬完好，未再脱落，表明该设计方案合理有效。

钢煤斗；内衬；不锈钢板；塞焊；温度荷载

0 引言

煤斗结构是燃煤发电厂作为贮煤和卸煤的构筑物形式之一。虽然在设计上缺乏相关规范、规程或设计手册，但设计人员对于这类特种结构的设计方法及计算要点已日益成熟[1-5]，形成了通用性较强的发电厂钢煤斗典型设计可供参考。钢煤斗的设计可分为支承结构设计、母材设计、内衬设计和接口设计4个部分。内衬设计的基本思路是，在钢煤斗锥体（母材）内壁上焊接不锈钢板耐磨层作为内衬，如图1所示。不锈钢板作为内衬所起的作用为：

（1）防止煤块和煤粉在坠落或流动过程中磨损母材。

（2）防止煤块和煤粉中腐蚀性成分与母材发生化学反应。

在典型设计中，内衬通常采用符合 GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》要求的3 mm厚O6Cr19Ni10不锈钢板（即304L不锈钢板）。母材则采用14 mm厚Q235B钢板。材料物理特性参数列于表1。针对该类板材的焊接施工技术也已比较成熟[6，7]。

在运行温度低或堆煤高度低的工况下（即煤斗主要作为卸煤通道），采用该类典型设计通常能够满足运行需要，符合安全生产要求。但在运行温度高且堆煤高度高的工况下（即煤斗兼用作主要贮煤结构），采用该类设计可能存在不周全之处。

图1 煤斗内衬安装典型设计

表1 钢煤斗内衬与母材物理特性参数

1 温度作用下内衬变形分析

生产期温度高于施工期温度时，由于内衬与母材的线膨胀系数存在差异（如表1所示），会导致内衬与母材变形不协调，从而引起内衬变形。如在常规设计的300 mm×300 mm平面区格内，根据母材与内衬的线膨胀系数差异，随着施工期与生产期温差的增大，区格边缘的延伸长度与边缘中心起拱高度的变化如图2所示。

图2 施工与生产环境温差变化引起的内衬板起拱变化

由图2可知，区格边缘的延伸长度呈线性变化趋势，而边缘中心的起拱高度呈非线性变化趋势。在温差较小的情况下就能引起区格产生形变。对于横截面为较小圆形的锥斗而言，由于内衬初始形状存在一定曲率，且形变将沿母材方向释放，因此温差引起的形变并不显著。而对于横截面为矩形及半径较大的锥斗而言，由于内衬初始状态接近平直，温差引起的形变则较为显著。如当温差达到70℃时，边缘中心起拱高度为3.25 mm，在三维空间中模拟的区格起拱形状如图3所示，区格中心最大起拱高度约6.5 mm。

图3 温差70℃时的内衬区格起拱形状

2 内衬起拱受力分析

煤斗内衬起拱后，将直接承受原设计中由母材承受的荷载，因此可能发生破坏。导致破坏的荷载主要由3个部分组成：贮料切向力、起拱积煤重力、温度作用。当相邻区格存在施工缺陷时，塞焊点位置在温度作用下将处于应力不平衡状态。且当煤粉堆积高度大时，区格也承受较大的静荷载。以上两者共同作用，会使内衬与母材之间的塞焊缝承受较大荷载，产生破坏，并使内衬脱落甚至撕裂。

2.1 贮料切向力

根据GB 50077-2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》中4.2节浅仓贮料压力的计算方法[8]，内衬面上的切向压力荷载按式（1）—（2）进行计算。式中：hn为竖直筒仓内贮料堆积重心至漏斗顶面的高度；hh为漏斗顶面到漏斗内计算位置的高度；γ为贮料的重力密度；pv为贮料在计算位置的竖向压应力；k为侧压力系数，k=tan2（45-Φ/ 2）；Φ为贮料的内摩擦角；α为漏斗仓壁倾角。

内衬塞焊点所承受的面积为A的区格上的剪力T：

由图1可知，内衬区格一般为正方形，因此，

式中：l为区格边长。

2.2 起拱积煤重力

内衬起拱区格上的积煤重力G可以按积煤锥体重量简化计算。积煤锥体的体积V为在起拱区格的投影面积As内（即图3所示的起拱形状在X-Z或Y-Z平面上的投影）、由贮料破裂角θ所包围的空间，计算公式见式（5）—（6）：

2.3 温度作用

区格起拱后将对区格角部塞焊点形成一定的温度应力。如在温差70℃的工况下，采用有限元分析软件ANSYS对内衬受力情况进行模拟，角部焊点处位置的Mises应力分布如图4所示。除受应力集中影响的单元以外，塞焊点附近单元的应力均值σ处于约80 N/mm2的水平。

图4 温差70℃时内衬在焊点位置的Mises应力分布

当相邻区格未发生破坏时，各区格应力水平相当，塞焊点处于应力平衡状态，而当相邻区格失效后，有效塞焊面积Af上将受温度作用引起荷载S，计算公式见式（7）。

2.4 设计优化目标

目前在钢煤斗内衬设计时，并未将内衬作为受力构件，且并未综合考虑多种工况的条件，因此套用典型设计易发生设计漏项。改进设计的思路涵盖3个方面：

（1）改用爆炸金属复合板替代不锈钢板与母材组合的形式。

（2）采用螺栓或锚栓连接替代焊接形式。

（3）采用合理的焊接设计。

以上3种方案的优缺点及适用性如下：

（1）爆炸金属复合板的优点是将内衬与母材处理为复合材料，因此结构完整性高，不存在分层变形不协调的问题，也便于安装。但爆炸金属复合板造价较高，因此在电力行业中仍较少采用。

（2）螺栓或锚栓连接的优点是可以使内衬的螺栓孔边与螺栓之间保留一定间距，使内衬板材在热膨胀过程中具有一定的自由延伸空间，能有效地降低温度应力。但采用螺栓或锚栓连接会增加施工阶段的工作量，且尚无适应于高温环境的柔性密封材料对螺栓孔进行封堵。在运行过程中，煤粉可能通过螺栓孔挤入内衬与母材之间，导致内衬自由胀缩的能力逐渐降低。

（3）对焊接方法的改进属于在常规设计方法基础上的优化，在造价和进度两方面上均优于上述2个方案。因此，此处主要从改进焊接设计的角度考虑设计优化。

3 工程分析

3.1 工程概况

某发电厂采用大直径圆形筒仓结构贮煤，上部竖直仓壁段高 22.64 m，为钢筋混凝土结构；下部卸煤锥斗高16.5 m，为钢煤斗。立面图如图5所示。钢煤斗采用Q235B钢板制作，悬挂于锥斗顶部的钢筋混凝土梁上，其内衬采用304L不锈钢。内衬安装方式同图1一致。

钢煤斗安装时间为11月，施工期月平均温度为10℃。在运行期，筒仓内检测到的最高温度为80℃，最大温差70℃。发电厂投产17个月后，煤斗中的不锈钢板内衬在漏斗顶面以下8.4 m部分区块发生脱落。经过现场勘察，发现部分尚未脱落的不锈钢板有明显的鼓包现象。通过对脱落的不锈钢板进行检查，排除了煤粉挤入内衬与母材的接触面从而引发内衬鼓包的因素。

图5 某工程煤斗立面图

经过分析认为，内衬鼓包的现象是在温度作用下，因内衬材料的线膨胀系数高于母材，从而产生了一定程度的隆起。在初始施工缺陷与煤粉堆载共同影响下，起拱部分内衬的变形加剧，使塞焊部位由于应力不平衡而脱落。

图6 某发电厂煤斗内衬起拱、脱落情况

3.2 计算分析

通过查阅该工程钢煤斗施工图及供煤参数，原设计采用的计算参数取值列于表2。

根据式（1）—（7），利用表2参数进行计算，计算结果如表3所示。其中，焊缝承载能力C指内衬区格的焊缝承载能力。

表2 锥体中贮料计算参数取值

表3 起拱区格内力计算结构 N

常规钢煤斗设计中一般忽略温度作用，为比较由此带来的影响，列出忽略温度作用和加入温度作用后的2种设计工况E1和E2。其中：

由表3可逐项计算各工况下的安全系数F。

计算工况E1时，即不存在施工缺陷、忽略温度荷载影响时，由式（11）计算得到F1=1.07。表明塞焊点承载能力尚能承受贮料切向力及起拱积煤重力。而计算工况E2，即叠加温度荷载后，由式（12）计算得到F2=0.85，表明此时焊缝极易破坏。而在煤仓底部（hh=16.5 m，T=5490.87 N，E2=6601.14 N），如有施工缺陷必须考虑温度作用时，F2=0.69。即使不考虑温度作用，也仍有发生脱落的隐患。

3.3 焊缝优化方案

3.3.1 增加焊缝尺寸

在焊缝尺寸方面，可参照中国建筑行业规程GB 50661-2011《钢结构焊接规范》5.4节以及美国国家标准AWS D1.1/D1.1M-2015中2.4.5节的规定[9，10]，塞焊时内衬板开孔直径应大于开孔板厚度加8 mm，且小于最小直径加3 mm与开孔件厚度2.25倍之间的较大值。当开孔件厚度不大于16 mm时，焊缝填焊高度取值为不大于板件的厚度；当开孔件厚度大于16 mm时，焊缝填焊高度取值为板件厚度的1/2和16 mm之间的较大值；最小填焊高度不得小于2个连接部件中较薄板件的厚度。塞焊最小中心间距应为孔径的4倍。

根据规程要求并结合本工程实际情况，塞焊开孔直径应在11～14 mm范围内选择，取12 mm；焊缝填焊高度取3 mm；焊点间距仍为300 mm。采用该塞焊方案，可将塞焊点承载能力提高至18095 N，破坏位置的安全系数能提高至3.38，煤仓底部（hh=16.5 m）的安全系数也能达到2.74。

3.3.2 降低温度荷载

为保证施工缺陷导致的温度荷载施加于塞焊点，建议施工方对上下两层不锈钢板间的搭接方式（见图1（c）），由原来的塞焊改为在上层板底部施加间断或连续的角焊缝，将各层不锈钢板焊接成整体，防止不锈钢板边缘在竖向对接焊缝的起、落弧缺陷处撕裂。

3.3.3 处理效果

根据以上处理方案，施工方对不锈钢板脱落区域的不锈钢板重新施焊安装。经过近6个月同等工况的运行后，内衬完好，未再次发生脱落，表明该设计方案合理有效。

4 结论

通过分析钢煤斗不锈钢内衬板在温度与机械力共同作用下的变形受力问题，提出了优化不锈钢板焊接设计的方案，总结为以下3点：

（1）矩形或直径较大的圆形钢煤斗的不锈钢内衬在施工期与生产期的温差条件将造成内衬板起拱变形。

（2）在堆煤高度较大时，内衬板受温度与机械力共同作用，可能导致塞焊点的破坏。

（3）不锈钢板在设计时应使塞焊点能完全承受区格内的温度与机械力共同作用。应采取措施使内衬自上而下形成整体，保证在不锈钢板不因施工缺陷而承受温度作用。

此处研究的不锈钢内衬受荷载变形的过程主要基于弹性阶段，其在塑性状态下破坏的过程仍有待进一步分析研究，对于改善不锈钢内衬的布置方式将具有指导作用。

[1]陈寿标.基于STAAD PRO的钢煤斗有限元三维计算分析[J].福建建筑，2009，129（3）∶50-53.

[2]张震，王黎明.浅谈钢煤斗的设计[J].山西建筑，2009，35（7）∶69-70.

[3]姜东，林娜，张红.某复杂钢煤斗的有限元计算和几点设计体会[J].特种结构，2010，27（6）∶56-58.

[4]李雪峰.锅炉原煤仓变形故障诊断分析及处理[J].浙江电力，2016，35（9）∶66-70.

[5]赵世伟，刁润丽，刘嘉，等.鲁阳发电厂原煤仓下煤不畅的治理[J].浙江电力，2016，35（2）∶63-67.

[6]刘晓静.钢煤斗不锈钢内衬焊接[J].安装，2006（5）∶33-35.

[7]刘福新.电厂不锈钢复合板煤斗焊接技术[J].中国新技术新产品，2015（11）∶39-40.

[8]GB 50077-2003钢筋混凝土筒仓设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[9]GB 50661-2011钢结构焊接规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[10]AWS D1.1/D1.1M-2015 Structural Welding Code-Steel [S].Amerlcan Welding Society，2015.

（本文编辑：陆 莹）

Analysis on Design of Stainless Steel Lining for Steel Coal Bucket in Complicated Operating Conditions

WANG Zhilei，ZHU Jian，HE Jiangfei
（CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

There is potential safety hazard in steel coal bucket with stainless steel lining for coal storage in coal-fired power plants in operation condition of high temperature and coal piles.The coal bucket lining bulges under the effect of temperature.The effect of shear force of coal，cumulative coal weight and the temperature on plug weld of lining is analyzed via code formula and numerical model；besides，it is calculated based on a project case.Furthermore，the paper proposes an optimal design plan of enlarging plug weld size and using fillet welds at which stainless steel plates are connected to avoid the temperature load increase induced by construction defect.After treated with the plan，the lining remains unbroken and does not fall off any more with the unit runs for six months under the same operating condition，which demonstrates the reasonability and effectiveness of the design plan.

steel coal bucket；lining；stainless steel plate；plug weld；temperature load

TM621

：B

：1007-1881（2017）03-0046-05

2016-12-02

王智磊（1984），男，高级工程师，博士，从事发电厂土建结构工程及岩土工程设计。