Проблемы и особенности расчетов металлических каркасов подвесных котлов ТЭС на сейсмические воздействия

DOI: 10.37153/2618-9283-2023-5-53-73

Авторы:  
Рубрики:    Проектирование, строительство и реконструкция сейсмостойких зданий и сооружений   
Ключевые слова: система «каркас–котел», металлический каркас, подвесной паровой котел, сейсмостойкость, демпфирование, антисейсмическое раскрепление, КЭ-анализ
Аннотация:

Введение. Металлические каркасы подвесных паровых котлов являются ответственными сооружениями, повреждения которых при сейсмических воздействиях могут приводить к крупным техногенным катастрофам с гибелью людей и значительным материальным ущербом.

Задачи обеспечения сейсмостойкости таких объектов в настоящее время осложняется тем, что существует большое число противоречий в нормативных документах, регламентирующих расчеты строительных конструкций и котельного оборудования, отсутствует четкая методология проведения расчетных обоснований в части формирования расчетных схем, учитывающих взаимодействия элементов каркаса и котельного оборудования, определения параметров демпфирования системы «каркас–котел» и технологических требований безопасной работы системы, моделирования элементов антисейсмического раскрепления и демпфирующих устройств.

Цели и задачи. На основании анализа существующего нормативного опыта, научно-экспериментальных исследований, а также с учетом выполненных в различное время специалистами ООО «ЦВС» расчетов для российских и зарубежных (Болгария, Индия, Вьетнам) проектов выработать подходы к оценке сейсмостойкости каркасов котлов и проектированию системы антисейсмического раскрепления.

Методы. В основе методологии выполнения расчетного обоснования сейсмостойкости каркасов подвесных котлов в составе системы «каркас–котел» лежат положения действующей редакции СП 14.13330.2018 по определению расчетных сейсмических нагрузок, учету трехкомпонентного сейсмического воздействия, применению метода прямого динамического анализа при расчетах на контрольное землетрясение. Дополнительно учитываются нормы котлонадзора, развивающие положения строительных сводов правил.

Расчетные обоснования производятся с применением программных комплексов МКЭ SCAD Office и ANSYS.

Исследование и результаты.

Сухое трение в контактных зонах между элементами котла и каркаса может вносить существенней вклад в диссипацию энергии колебаний, сопоставимый с уровнем конструкционного демпфирования системы «каркас–котел»; учет трения может приводить к уменьшению горизонтальных сейсмических перемещений и всех компонент внутренних усилий в элементах каркаса на величины до 15…35%.

Эффективным средством регулирования динамической реакции системы «каркас-котел» являются упругопластические элементы антисейсмического раскрепления, которые могут быть запроектированы с учетом геометрических особенностей системы «каркас-котел» с применением численных методов. Их установка позволяет кратно уменьшать величины относительных перемещений котла и каркаса; варьирование количеством и местами установки элементов обеспечивает допустимые уровни перемещений при различных уровнях сейсмического воздействия (от 0.1 g до 0.4 g).

Подвесная система котла, связанная с перекрытием каркаса, может иметь крайне неравномерную загрузку. При выравнивании усилий в тягах подвесок на реальном объекте указанная монтажная операция должна быть корректно смоделирована в программном комплексе для анализа работы конструкций. Уточненный КЭ-элементный анализ подвесок позволяет избежать излишне консервативных оценок их напряженно-деформированного состояния, проанализировать работу важных с технологической точки зрения узлов системы, от которых зависит её общая устойчивость.

Заключение. Оценка сейсмостойкости каркасов подвесных котлов предполагает рассмотрение системы «каркас-котел» и учет целого ряда технологических требований наряду с требованиями прочности и устойчивости элементов металлоконструкций. При оценке сейсмостойкости каркасов подвесных котлов принимается более высокий уровень демпфирования, чем рекомендуемый СП 14.13330 для стальных конструкций, в том числе, с учетом гашения колебаний силами трения в контактах элементов системы. Применение упругопластических элементов антисейсмического раскрепления является простым и одновременно достаточно эффективным средством регулирования динамической реакции.

Используемая литература:

1.       Aida K., Morikawa S., Shimono M., Kato M., Morishita K., Amano T. Elasto-plastic finite element analysis of long-lived seismic ties for thermal power boiler structure. Proceedings of the ASME 2017 Pressure Vessels and Piping Conference. PVP201-65665. [https://doi.org/10.1115/PVP2017-65665]

2.       Javanmardi A., Ibrahim Z., Ghaedi K., Ghadim H.B., Hanif M.U. State‑of‑the‑Art Review of Metallic Dampers: Testing, Development and Implementation. Archives of Computational Methods in Engineering. March 2019. [https://doi.org/10.1007/s11831-019-09329-9]

3.       СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. Москва: Стандартинформ. 2018.

4.       ГОСТ 33963-2016 Котлы стационарные. Расчеты на сейсмическое и ветровое воздействия. Москва: Стандартинформ. 2017.

5.       РТМ 108.031.09-83 Каркасы стальные паровых стационарных котлов. Нормы расчета (с Изменением N 1). НПО ЦКТИ. 1984.

6.       СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. Стандартинформ. 2017.

7.       РД 10-249-98 Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. Москва: ЗАО «НТЦИППБ». 2010. 344 с.

8.       Ferri A. Friction Damping and Isolation Systems. ASME. J. Vib. Acoust. June 1995. 117(B). 196–206. [https://doi.org/10.1115/1.2838663]

9.       НП-031-01 Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. Москва: ФБУ «НТЦ ЯРБ». 2017. 77 с.

10.    ASCE 4-2016 Seismic Analysis Of Safety-Related Nuclear Structures.

11.    Петров В.А., Цейтлин Б.В., Скворцова А.Е. Расчетная оценка сейсмостойкости основных сооружений Абаканской ТЭЦ // Известия ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева. 2002. Т. 241. С. 18–27.

12.    Расчет сейсмостойкости энергетического оборудования: сборник научных трудов / под ред. Б.В. Зверькова. Ленинград: Редакционно-издательский отдел НПО ЦКТИ. 1984. 123 с.

13.    Анущенко А.М., Кульцеп А.В., Щукин А.Ю. Инженерный подход к оценке сейсмостойкости систем «каркас–котел» с применением пассивной сейсмозащиты при контрольном землетрясении // Приволжский научный журнал. 2023. № 1. С. 21–27.

14.    Nazal J., Mora A. Seismic Behaviour of Guided Supports of Steam Generator Boilers and Design Using Energy Dissipators. The 17th World Conference on Earthquake Engineering.

15.    Jangid R. Base Isolation for Seismic Retrofitting of Structures. 10.1061/(ASCE)1084-0680(2008)13:4(175). Practice Periodical on Structural Design and Construction.

16.    Subramanian K.V. Evolution of seismic design of structures, systems and components of nuclear power plants. Journal of Earthquake Technology. Paper no. 512, vol. 47, no. 2–4, June-Dec. 2010, pp. 87–108.

17.    ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. Москва: Стандартинформ. 2019.

18.    Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле // Перевод с английского канд. физ.-мат. наук Л. Г. Корнейчука, под редакцией чл.-корр. АН СССР Э.И. Григолюка. Москва: Машиностроение. 1985. 472 с.

19.    ГОСТ Р 57364-2016 / EN 15129:2010 Устройства антисейсмические. Правила проектирования. Москва: Стандартинформ. 2017.

20.    Nawrotzki P. Earthquake protection strategies for power plant equipment. Proceedings of the ASME 2009 Power Conference POWER. 2009-81161.

21.    Hamidreza M. Earthquake-resistant with hysteretic dampers. International Journal of Applied Research. 2017. 3(1). 526–532.

22.    Constantinou M.C., Soong T.T., Dargush G.F. Passive Energy Dissipation Systems for structural design and retrofit. Multidisciplinary Centre for Earthquake Engineering Research. USA. 1998, p. 299.