海上平台自立式钢制烟囱的新型结构设计

程新宇，沈志恒，李争，朱保庆

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

海上固定平台中一般设置有大型发电机组，发电机组通常由透平发动机和发电机组成，透平发动机排出的烟气通过排烟管道和钢制烟囱排至平台安全地点，烟气温度高达550℃。在工程设计中钢制烟囱结构一般分为塔架式、自立式、拉索式，对于高径比小于20的钢制烟囱可采用自立式结构[1][2]。海上固定平台由于空间限制，主电站的排烟系统采用了不同于一般钢制烟囱侧面开孔接入烟道的方式，而是采用排烟管道与钢制烟囱直连的结构。侧面接入烟道的钢制烟囱，由于烟囱固定基础远离烟道接入口，高温烟气对于钢制烟囱的固定基础热影响较小。但对于本文提出的烟道连接方式和固定基础的结构形式，钢结构的温度应力是设计中必须考虑的重要因素。国内现行的烟囱设计标准及规范中未考虑温度应力对于钢制烟囱的影响[1][2][5]，相关的参考文献中很少涉及这一问题。本文针对提出的一种新型的高温钢烟囱结构形式，通过有限元分析计算了钢制烟囱的温度分布以及在热应力和外部载荷作用下，钢制烟囱新型结构的安全可靠性能。

1 自立式钢制烟囱设计方案

图1为透平发动机废热装置排烟管道与钢制烟囱安装的三维模型示意图。钢制烟囱的设计尺寸如图2所示，直径3.3m，高12m。烟气从压缩机排烟口出来，经膨胀节、变径、消音器、天圆地方、烟囱内筒、自立式钢制烟囱，最后排入大气。烟囱本体材料选用15CrMoR，此钢板可以在475℃高温下正常使用，因此可以不设置内衬隔热层[2][3]。

图1 烟囱三维模型示意图

图2 钢制烟囱尺寸图

内筒与钢制烟囱之间装有陶瓷棉隔热层，见图3，可以使烟囱支撑基础的温度保持在环境温度左右，这样烟囱的基础环可以采用焊接的方式生根于支撑平台。内筒与烟道连接，起到了疏导烟气的作用，且和烟囱无直接的连接，因此不用考虑其强度计算。这里只计算分析烟囱本体。分析中需要考虑重力载荷、温度载荷、风载荷、地震载荷对结构的作用。

图3 隔热层结构

2 环境及载荷条件

风速选取极端暴风工况100年一遇的3秒最大风速计算[4]。在风载的作用下烟囱的壁温下降，间接提高了烟囱材料使用的许用应力。在一般无风载工况下，烟囱壁温最高，材料许用应力最小，也是一种需要考虑的危险工况。海上固定平台承受的地震加速度见表1。

表1 地震载荷

考虑烟囱温度应力和风载的作用，计算工况需要考虑两种极端工况，无风工况和百年一遇的风暴工况。针对最苛刻的环境条件，本文只讨论风暴工况下钢制烟囱的分析计算。

3 钢制烟囱的分析计算

3.1 钢制烟囱受力计算

3.1.1 烟囱壁温计算

根据烟气温度、流速、风速、环境温度可以计算得到，根据传热学计算得到烟囱壁温tw=100℃，烟囱外壁平均对流换热系数为ho=99.4W/m2·K。

3.1.2 风载荷计算

将烟囱按标高分为58.025-61.625m，61.625-69.5m共2段，受力简图如图4。

图4 烟囱风压和弯矩简图

基本风压ω0的计算：

ρ-距海面10m处标准空气密度；v0-距海面10m处极端风暴3秒阵风。

3.1.3 可以根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》和GB 50051-2013《烟囱设计规范》设计计算，在暴风工况下钢制烟囱的截面1载荷为22MPa，截面2载荷为13.3MPa，满足100℃下材料的许用应力。钢制烟囱的稳定性和横风向风振效应满足设计要求。

3.1.4 烟囱支撑板筋及基础环的强度有限元分析

外部烟囱壁加载100℃的温度，与环境大气直接接触的外表面设置自然对流系数99.4W/m2K，温度分布计算结果如图5所示，由计算结果可知，支撑部位温度降到了环境温度16℃。

图5 温度云图

将温度分布耦合到烟囱的静力结构分析中，约束为基础环固定，加载风压和重力载荷，最终的应力分布如图6所示。最大应力为局部应力224MPa。

图6 应力云图

根据JB4732-1995《钢制压力容器 分析设计标准》中5.2.2条，最大应力处为机械结构不连续处机械载荷引起的二次应力，小于3倍100℃许用应力为519MPa，因此结构强度满足要求。

4 结论

本文提出的新型大口径高温钢制烟囱结构形式，能够更好地适应海上固定平台的空间布置需求。局部隔热层的结构设计，避免了高温烟气对烟囱固定基础钢结构的热应力影响。通过分析计算确保了自立式钢制烟囱满足高温排烟、结构强度、稳定性、横风向风振等设计要求。采用热力耦合的有限元分析方法，计算了钢制烟囱温度梯度分布产生的热应力对结构强度的受力影响。本文设计的自力式钢制烟囱已成功应用于海上平台的工程实际，使用安全可靠，验证了设计方法的有效性和可靠性。

◆参考文献

[1] GB 50051-2013，烟囱设计规范[S].

[2] GB50011-2010，建筑抗震设计规范（2016年版）[S].

[3] GB 150.1～150.4-2011，压力容器[S].

[4] API RP 2A-2005,Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].

[5] 杜雷鸣，李海旺. 烟道孔对钢烟囱的影响分析[J].钢结构，2013，28(5)：27-29.