某石化厂主管廊钢结构改造设计

水培君同济大学 上海 200092

古育平上海寰球石油化学工程有限公司 上海 200032

某石化厂主管廊钢结构改造设计

水培君*同济大学 上海 200092

古育平上海寰球石油化学工程有限公司 上海 200032

实例介绍某石化厂随着产能提升，对管廊进行加层加固的改造设计，并对施工中可能遇到的问题提出设计要求。

管廊改造设计

管架、管廊是化工区常见的工业构筑物，支撑化工管道的支架称之为管架，而在较长的距离范围内连续的管架称为管廊。随着扩大产能的要求，某石化环氧乙烷/乙二醇装置需进行东西向主管廊的加层改造。

工程设计于1985年底，管架长180m，天然地基，独立基础，上部为钢结构，跨度12m，柱间距为9m，标准跨为二层，局部三层架空冷器。本次改造拟在原有管架上新增一层，同时对原有管架的管线作适当调整。

1 原有设计

原设计图纸包括管廊结构布置图及钢结构工厂制作图，结构设计依据均严格按照上世纪80年代规范条款。其中，钢结构构件材料等级为I级钢(A3F)，相当于Q235F钢材等级，基础混凝土采用#150标号混凝土，相当于C13标号混凝土，而原钢筋等级一级钢A3F、二级钢16Mn对应为HPB235及HRB300。原管廊5m和7.5m为管道支承层，支承管道的钢结构横梁由轴向桁架连接，传力至钢柱及基础。在E58.5～E45.7轴及E119.5～E131.5轴处12m设置钢平台及空冷机支架，并在这两处轴线处设置垂直支承作为固定跨，用来承受由管道热胀冷缩等原因产生的水平力。

经过多次管廊现场核对原设计图，发现由于设计年代久远加之随着产能的提升，业主在将近30年的结构使用年限之中进行多次改造，一旦需要新添加管道便在管廊上设支架，导致与原有设计相差较大。

2 现场实际情况

经过多次现场实地勘察并结合业主委托有关单位所开具的检测鉴定报告，发现现有管廊钢结构存在如下问题:

(1)结构使用年限较长，维修涂装周期较长，厂区生产产品有一定的酸性介质，使现场钢构件存在涂层起皮、锈蚀现象，影响其耐久性。

(2)业主自行添加临时或永久管线，这些管线走向遇到水平支撑等钢构件时便自行切割构件或节点板，人为对结构造成了损坏。有部分钢柱在前期增加管线时便已经进行贴板加固，这些贴板加固的构件现场锈蚀情况非常严重。

(3)参考原工艺管道图发现，现场管线布置走向与原设计存在差异，造成原管廊结构受力情况计算模型与实际不符，故不能按照原管道设计图而必须以现场实际管道情况来统计荷载，再进行钢构件的计算。

(4)由检测方南京工业大学采用《里氏硬度计现场检测建筑钢结构钢材抗拉强度技术规程》DGJ 32/TJ116－2011进行原钢构件强度检测，报告显示原钢结构构件基本满足Q235强度等级的要求，故设计时对原钢结构强度按现行钢结构规范GB 50017－2003中抗拉、抗压和抗弯设计值f= 215MPa来选用。

(5)由于长期腐蚀原因，对于钢结构构件有效截面积在原截面面积基础上进行一定的折减，故在计算模型中净截面系数取0.85进行结构的承载能力设计。计算模型中的控制指标按现行规范要求控制。

3 工艺管道改造

在整个改造过程中，工艺管道要求在12m增加一层管道支架以支撑标高12m上下的管道，见图1云线处。

图1 工艺管道改造图

3.1 结构布置

为了与原有结构的的设计风格统一，参照原结构布置图，初步设计方案为在12m增加一层轧制H型钢横梁，其截面为HN 600×200×11×17，材料为Q235B，与钢柱的连接方式为刚接。经计算分析，这种加固方式满足构件强度及挠度运算，且节点制作相对简单，钢梁与钢柱需要进行现场剖口焊接，在施工质量优良的前提下能够满足管廊加固的要求。在绘制了结构施工图后，协同管道专业进行现场放样，在与管道专业核对的过程中发现，在12m标高钢架下需要新设的管道，加上保温后的直径较大，与新增的H型钢梁碰撞，并且现场施工空间有限，进行梁柱刚性节点焊接施工难度较大，难以满足设计要求。经过方案讨论，改为采用新增钢梁下挂桁架的形式，见图2。

通过计算，采用此形式能够很好的控制结构的挠度，工艺管道也能够在桁架内穿过，在结构三维建模以后与工艺专业进行模型检查时也有效地避免了管道的碰撞问题。新增桁架与原有钢柱的连接方式为双角钢夹板螺栓连接，这种方式避免了在原结构上焊接，并指明施工方施工时应采用机械钻孔方式，避免在改造的过程中对原有结构造成人为二次破坏。

图2 结构立面布置图

3.2 节点计算

在原管架上部增加桁架进行整体计算后，进行节点设计。对于柱脚节点参考原设计图纸的资料表示为M27的Q235地脚锚栓，钢柱柱脚的计算模型采用刚接柱脚，经计算得:

柱底弯矩设计值M:200 kN·m。轴向压力设计值N:140 kN。

图3 柱脚详图

参考原设计图，见图3，柱脚底板几何信息得:弯矩M作用方向长度L为650 mm，受拉侧底板边缘至受拉锚栓中心距离lt为65 mm，非弯矩作用方向长度B为700 mm。

柱底板计算:

其中，Aae为受拉侧锚栓总有效面积，计算结果为459.4mm2。

图4 底板受压区长度计算图

求受拉侧地脚锚栓的总拉力:

Q235材质地脚锚栓的fy为235MPa，屈服拉力为108kN，假定地脚螺栓超过了受拉承载力极限64.31kN而达到了其受拉屈服极限108kN，在这种工况时地脚螺栓退出了工作不能继续承担拉力，螺栓进入屈服阶段但还未到达极限状态，刚性柱脚的计算假定已经不再适用，从而柱脚的计算模型变为了铰接。经计算铰接柱脚模型状态时上部结构仍然可以满足承载力设计要求。计算得出柱底剪力设计值为75kN，查表得单个M27螺栓的抗剪承载力即为75kN，所以柱脚仍可按原设计进行抗剪，故对原设计柱脚无需加固。

3.3 基础设计

基础部分原设计采用独立式基础，原勘察资料及此次扩建勘察资料确定未修正②层土持力层地基承载力为160kN，修正后可达200kN。基础布置见图5。

图5 基础布置图

在原设计图纸中，台阶高宽比分别为:

一阶:900/600=1.5，二阶:800/600=1.33。

超过混凝土刚性基础的宽高比限制，故不能认为其为刚性基础。

现假定只利用刚性基础允许的宽高比来验算承载力，基础埋深2.5 m，基础底面积为3.2 m×4 m，上部结构传至基础的控制工况标准组合设计值为:

2.观察方法。可直接肉眼观察攀附在水草上的虾苗数量、大小；如肉眼不易观察，可使用网眼较密的鱼捞子伸入水草下方，轻轻往上捞，可重复几次，选择不同位置，重复上述操作。

此时最大地基反力为73kPa，小于地基承载力特征值。因为原基础在只考虑刚性基础部分的条件下其底面积已可满足设计要求，则假定原基础超过刚性基础宽度的混凝土部分不计入计算，基础按照刚性基础来计算其底部钢筋并无最小配筋率的要求，所以无需增加基础底板配筋来满足新规范对于基础最小配筋率0.15%的要求。

4 加固措施

由于荷载增加，钢结构构件有效截面积长期受到腐蚀而减小，所以部分原有构件应加固，采取如下加固措施:

(1)对于长期腐蚀而造成结构严重损伤的构件，在损伤处贴板加固，加固板可采用Q235B材质，厚度可与原有构件板厚一致。

(2)对于腐蚀造成构件表面损害但没有造成结构严重损伤的构件，在腐蚀处先进行打磨抛光处理，再按照项目设计结构总说明中的规定对构件进行底漆及面漆涂装。

(3)由于荷载提高使节点区应力提高的节点，通过计算后确定节点加固方式。对于单剪板铰接节点，在卸荷的条件下添加双剪板使之增大受剪承载力;对于焊接刚接节点，添加与梁相同截面的腋角，增大抵抗节点域弯矩的能力。

5 施工要求

本项目为改造工程，需根据现场实际情况来完善设计方案，对于施工方来说，改造中可能遇到的问题则更多。设计方考虑了几点施工要求:

(1)对于施工图设计的节点，在实际安装前需经过钢结构厂或详图设计公司的放样绘制制造图，要求在绘制制造图的过程中需考虑原有节点和现有节点间的关系，参考原设计图或现场实际勘察数据，在确认无误后方可下料制作。

(2)除一般钢结构施工要求外，在原结构上开螺栓孔时明确要求机械钻孔;在原结构焊接构件时要求采取焊接保护措施，避免对原有构件造成破坏。

(3)对于原有结构，因长期腐蚀或因施工原因造成的破坏要进行修补;对于原有结构未进行防火、防腐保护的部位均需按照新规范要求执行。

(4)在施工过程中考虑到改造可能在业主不停产的情况下进行，所以要求施工单位在进行施工组织的时候必须得到业主的认可后方可执行。

6 结语

改造后的管廊满足产能提升后的生产需求，可为同类工厂的改造项目提供设计参考。

1 钢结构设计手册第二版［M］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

2 王成樵等．某综合管廊加层改造前的检测评估［J］．钢结构，2008(8)．

This article presents a practical case of pipe rack improvement design for a petrochemical plant，which consists of adding more layers and providing additional reinforcementduetoplantcapacityincrease．Recommendations indesignaimingatthepotentialproblemsin construction are given as well．

Steel Pipe Rack Reinforcement and Improvement Design for a Petrochemical Plant

Shui Peijun，et al(Tongji University，Shanghai 200032)

pipe rackreinforcementimprovementdesign

*水培君:工程师。2005年毕业于同济大学土木工程专业。现从事石油化工行业结构设计工作。联系电话:(021)64164200－3690，E－mail:shuipeijun@139.com。

(修改回稿2012－04－27)