高爐粗煤氣系統結構分析及有限元應用軟件

周利清

(中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223)

粗煤氣系統是高爐煉鐵工藝中不可或缺的重要系統，主要由粗煤氣管道(含導出管、上升管、下降管)和除塵器及除塵器支架組成。其與后續除塵設施將爐頂引出的含塵很高的荒煤氣凈化成合乎要求的氣體燃料。粗煤氣管道布置及形式主要由煉鐵工藝決定，當前通常采用“三通管”及“五通球”兩種形式，見圖1，圖2。

圖1 三通管型粗煤氣系統

圖2 五通球型粗煤氣系統

1 粗煤氣系統結構特點

粗煤氣系統由除塵器支架、除塵器殼體及粗煤氣管道共同構成，通常除塵器支架采用混凝土框架或鋼框架結構，而除塵器本身是具有一定壓力的殼體結構，粗煤氣管道為空間管系結構。因此粗煤氣系統的結構計算不同于一般梁、板、柱結構，可用常規結構計算軟件給予模擬;除自重、內襯及平臺荷載外，尚需考慮風荷載、地震作用、溫度以及粗煤氣內壓，工況眾多，受力復雜;粗煤氣系統的結構計算一直是高爐系統中的一個難點。

2 粗煤氣系統設計存在的主要問題

高爐粗煤氣管道生產使用過程中出現的問題主要集中在上升管和下降管匯合處管皮開裂和焊縫開裂及下降管變形過大。由于粗煤氣系統從導出管、上升管、下降管到除塵器之間構成了大跨度、大空間的空間管系結構，且其抗側剛度相對較弱，在自重、積灰、風載及溫度等作用下，粗煤氣管道頂部變位及下降管撓度都會比較大。而過大的撓度或變位將影響粗煤氣系統的正常使用，如管道內襯剝落、爐頂煤氣放散閥出現卡殼無法打開閥門等。因此，在粗煤氣系統設計過程中，應該嚴格限制下降管的撓度及粗煤氣上升管頂部節點處的變位。

3 當前設計現狀

長期以來粗煤氣系統的結構設計一直停留在以經驗為主、計算為輔的低層次階段，許多設計更是服從于“過去的現實”。早前采用簡化力學模型近似模擬上升管、下降管及除塵器，或者采用經驗公式法，確定粗煤氣管壁及重力除塵器壁厚，計算手段簡單，無法準確考慮溫度、內壓等復雜工況。近年來隨著計算機技術的進步，開始采用SAP2000有限元軟件三維建模，見圖3，用線單元模擬粗煤氣管道及重力除塵器，較早前有較大進步，但仍有不足之處，主要存在以下幾個問題:

1)無法真實反映重力除塵器實際工作情況;2)無法準確模擬下降管與除塵器之間的連接;3)無法考慮內壓，無法得出關鍵部位應力變形;4)無法考慮除塵器支架、除塵器殼體與粗煤氣管道三者的協調受力。由于采用SAP2000程序受線單元的局限，無法從真正意義上實現對粗煤氣系統的精確數值仿真分析。也就無法全面反映粗煤氣系統尤其是結構變化處內力與變形情況，使得設計存在一定的安全隱患。

4 粗煤氣系統有限元分析及軟件包開發

鑒于當前粗煤氣系統設計存在以上種種問題，針對粗煤氣系統結構特點和受力狀況，本文將運用現代力學理論和計算機技術，采用殼單元對粗煤氣系統進行空間力學分析及研究，并在此基礎上基于ANSYS平臺，開發粗煤氣系統結構計算軟件，精確模擬粗煤氣系統各個部分之間相互作用，計算其應力與變形。對粗煤氣系統中的重力除塵器及粗煤氣管道采用殼單元模擬，解決了傳統的用桿系模型帶來的剛度和變形誤差，以及計算模型與實際結構在相互幾何關系及受力狀態最大程度的吻合，較傳統的計算手段有很大進步與提高。

4.1 開發軟件及單元介紹

ANSYS是目前工程界應用最廣的一款有限元分析軟件，采用ANSYS對粗煤氣系統進行空間結構有限元分析是可行的。但要利用ANSYS對實際工程問題進行分析計算則必須要求操作人員對ANSYS模塊較熟悉，而且對力學及有限元理論知識有較深的理解。而對普通設計人員，直接利用ANSYS軟件分析有相當的技術難度。為方便設計人員掌握用有限元手段對粗煤氣系統進行力學分析，開發基于ANSYS平臺的粗煤氣系統結構力學分析軟件，不僅能大大提高當前粗煤氣系統結構分析計算水平，也能顯著提高設計人員工作效率。

在對本公司多年來積累的粗煤氣系統設計經驗與成果進行收集分類、整理基礎上，總結出粗煤氣系統結構設計參數以及荷載狀況，在ANSYS平臺上編制出粗煤氣系統結構有限元分析軟件，本軟件是基于ANSYS先進的APDL的參數化模型開發技術，在此基礎上進行二次開發而形成的分析軟件。該軟件包含了設計人員必須涉及到的輸入輸出信息，目的是使工程設計人員在軟件界面中僅需前期設計參數的輸入，軟件即在后臺生成命令流文件并自動導入ANSYS中進行求解計算，最終自動完成粗煤氣系統的全部計算以及后處理，大大提高了設計的可靠性和效率。

粗煤氣管道及重力除塵器殼體采用Shell63平面殼單元模擬，除塵器支架梁柱采用Beam188線單元模擬，其精度滿足分析要求，整體三維模型見圖4。

圖3 SAP2000整體計算結構模型

圖4 ANSYS結構整體計算結構模型

4.2 應力強度限值條件

壓力容器在外荷載作用下，滿足了靜力平衡條件和變形協調條件后，根據應力產生的原因、導出應力的方法、應力存在的區域及應力的性質，將各處應力劃分為三類:一次應力(p)，二次應力(q)，峰值應力(f)。根據應力分類對不同類型的應力采用不同的應力強度限值。程序以最大剪應力作為強度準則，荷載采用標準荷載，設計應力強度采用許用應力。粗煤氣管道及重力除塵器殼體連續部位的應力強度應嚴格控制在許用應力［σ］之內;對于除塵器筒體與圓錐段相交部位，存在由于結構不連續引起的彎曲應力，其限值可放寬到1.5［σ］;而對上升管下降管連接處及下降管與重力除塵器連接處，應控制其應力在3［σ］范圍以內。

4.3 荷載及邊界條件

粗煤氣系統荷載主要有:結構及設備自重，內襯，積灰荷載，內壓，溫度，風荷載，地震作用及其他檢修荷載。內襯可通過增大密度的方法，用折算密度取代鋼材密度，較以節點荷載的方式不僅減少了荷載工況，也能較為真實反映結構的周期。上升管支座由于爐身框架主平臺變形引起的內力暫不考慮，事實上由此產生的應力較小，不影響計算結果的精度要求。

邊界條件:上升管與爐頂主平臺梁連接按鉸接考慮，重力除塵器框架柱按剛接考慮，重力除塵器殼體與重力除塵器支架采用共用節點的方式進行連接。

4.4 后處理

對于一個基于ANSYS平臺開發的結構應用軟件，僅僅滿足于計算精度與速度是遠遠不夠的，尤其對于一般工程設計人員，其后處理強大與否直接關系到軟件的推廣與應用。本軟件采用ANSYS的APDL參數化語言，通過編寫命令流方式提取模型計算結果，結果分為文本與圖片兩種形式。其中文本結果包括模型的幾何信息、截面信息、荷載參數、工程量以及各單工況及控制組合工況下粗煤氣系統關鍵位置的最大應力與變形，例如下降管與除塵器相接處最大應力與變形、下降管跨中應力與撓度、上升管交匯處應力、上升管頂部最大水平位移、上升管支座反力和除塵器支架柱底內力等。圖片結果主要包括結構各階振型、各單工況及控制組合工況下粗煤氣系統整體應力變形云圖及關鍵位置的應力與變形云圖。工程設計人員可結合文本結果及圖片結果判斷結構是否安全經濟，滿足規范要求。圖5～圖9即為某工程應用本軟件包自動生成的粗煤氣系統在恒載作用下部分應力云圖。

4.5 軟件特點

本軟件基于ANSYS平臺，最重要特點是僅需在軟件界面中輸入各個參數，生成命令流，即可完成粗煤氣系統全部內力變形計算。后期利用ANSYS強大的后處理能力，自動得出工程設計人員最關心的應力變形結果，結合規范及相關強度理論知識對結果進行分析判斷以滿足設計要求。結果可靠性高，圖文并茂，一般工程設計人員很容易就能方便掌握。實際工程中，設計人員通過不斷調整參數，即可進行多次分析，不僅提高設計效率，也為工程優化設計提供了技術保障。

圖5 粗煤氣系統結構整體應力

圖6 三通管處應力

圖7 下降管與上升管相接處應力

圖8 下降管與重力除塵器連接處應力

圖9 下降管與重力除塵器連接處應力

5 結語

粗煤氣系統中重力除塵器和粗煤氣管道為受力狀況極為復雜的空間薄殼結構，完善的有限元理論和成熟的計算機技術，對此類問題進行較為精確的數值仿真分析成為了可能。采用有限元殼單元技術分析較以往簡單的線單元模擬有了很大進步。通過編制粗煤氣系統有限元分析軟件來分析設計是又進一步。通過這些先進的技術手段，使我們對粗煤氣系統的應力與變形有了更全面、深入的認識，對粗煤氣系統的設計也更有把握。不僅能避免粗煤氣系統設計中的各種問題，進行優化設計，真正做到“該厚的地方厚，該薄的地方薄”，還可以提高設計效率。工業建筑中，具有相同功能的構筑物其有限元模型參數通常也較為固定，可借鑒本文思路進行各類復雜構筑物的力學分析及開發其通用有限元分析軟件，從而提高工程設計質量與效率。

［1］ GB 50567-2010，煉鐵工藝爐殼體結構技術規范［S］.

［2］ 張朝暉.ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［3］ 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［4］ 孔垂燭，劉京安.高爐爐頂粗煤氣管道研究現狀［J］.煉鐵，2008(1):41-43.

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