天然氣凈化廠尾氣焚燒爐有限元分析

楊建東　董艷國

摘要：運(yùn)用通用有限元軟件 ANSYS，對(duì)高 120m的塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了橫載、活載和風(fēng)載荷分析，然后根據(jù)規(guī)范要求對(duì)各工況荷載作用下 Von mises應(yīng)力組合，得出關(guān)鍵部位最大應(yīng)力和最大變形，驗(yàn)算塔架式煙囪強(qiáng)度和剛度。其驗(yàn)算結(jié)果均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，也為同類結(jié)構(gòu)的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：塔架式煙囪，有限元分析，強(qiáng)度和剛度校核

天然氣凈化廠尾氣焚燒爐是將脫硫裝置脫除的酸氣進(jìn)入尾氣焚燒爐焚燒，將酸氣中的H 2S轉(zhuǎn)化成SO 2后排入大氣，是保證凈化廠連續(xù)、穩(wěn)定和安全生產(chǎn)的必需設(shè)施，又是減少化工大氣對(duì)周圍空氣污染的一個(gè)重要手段。

尾氣焚燒爐采用鋼煙囪形式，通常包括自立式、拉索式和塔架式 3種形式。塔架式鋼煙囪一般靠鋼筒體承受豎向力自重，塔架承受水平荷載，而塔架整體上是豎向桁架，材料性能得到充分發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)適用，應(yīng)用廣泛。本文以長(zhǎng)慶天然氣第四凈化廠尾氣焚燒爐塔架式鋼煙囪例，利用大型有限元分析軟件 ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析。

一、塔架式煙囪有限元分析方法

塔架式鋼煙囪屬高聳結(jié)構(gòu)，需要很大的強(qiáng)度和剛度。其正常使用的極限狀態(tài)和承載能力的極限狀態(tài)，基本都由橫向荷載控制，而風(fēng)載帶有明顯的動(dòng)力效應(yīng)。分析塔架的剛度問題屬于大型結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，要直接利用數(shù)學(xué)、力學(xué)等理論知識(shí)進(jìn)行求解往往很困難，若要考慮煙囪、塔架與平臺(tái)的整體剛度問題則更為困難。根據(jù)塔架式煙囪的結(jié)構(gòu)、各種受力和約束，應(yīng)用有限元法模擬，可以計(jì)算出塔架式煙囪的最大變形，能夠較真實(shí)地模擬出塔架在風(fēng)載使用過程。

首先要建立塔架式煙囪的三維模型，結(jié)合煙囪的材料及屬性轉(zhuǎn)化為有限元分析模型，對(duì)有限元模型添加約束邊界并施加載荷，然后計(jì)算求解，進(jìn)行塔架式煙囪的結(jié)構(gòu)靜力分析，通過有限元后處理分析結(jié)果可分別獲得塔架式煙囪的最大變形和最大應(yīng)力，結(jié)合材料特性和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范判斷，從而為改進(jìn)和優(yōu)化塔架式煙囪設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

二、塔架式煙囪有限元模型建立

本文塔架式煙囪為分層空間桁架，每一層腹桿為十字形，如圖1所示。煙囪高度為120m，鋼架113m，分為13層，共設(shè)有 7個(gè)平臺(tái)。立柱、腹桿及水平支撐為圓形鋼管，平臺(tái)框架為槽鋼。

基于計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性方面的綜合要求，在不影響計(jì)算精度的前提下，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和修改，避免在網(wǎng)格劃分時(shí)由于不必要的小特征而產(chǎn)生大量單元，簡(jiǎn)化之后的結(jié)構(gòu)就是我們?cè)诜治鲋兴玫降睦硐牖挠?jì)算模型。該計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在著一定的差異，但仍然保持了原結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特征，這樣就使得計(jì)算所得的結(jié)果與實(shí)際情況并不會(huì)存在過大差異。

為了便于建模以及劃分有限元網(wǎng)格，在建模之前對(duì)原始模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

（1）塔架各桿的交匯點(diǎn)，均為理想的鉸接點(diǎn)。

（2）平臺(tái)只保留框架部分，平臺(tái)面部分忽略。

（3）煙囪裙座簡(jiǎn)化成固定支撐，同樣塔架支座也當(dāng)做固定端。

（4）平臺(tái)和煙囪接觸部分綁定。

本項(xiàng)目中，煙囪為薄壁結(jié)構(gòu)，采用殼單元；塔架為空間桁架結(jié)構(gòu)，采用梁?jiǎn)卧ＴO(shè)置單元屬性時(shí)，需要各部分的截面和材料，如表 1所示。

三、塔架式煙囪的有限元分析

1.塔架式煙囪的靜力分析各載荷介紹

塔架式煙囪所承受的載荷包括：部件的重量、平臺(tái)載荷、風(fēng)載和溫度載荷等。各類載荷的具體描述如下。

（1）平臺(tái)載荷：恒載、活載。

平臺(tái)載荷主要包括恒載和活載，恒載為平臺(tái)自重，可根據(jù)實(shí)際模型計(jì)算出來；活載為人員檢修操作帶來的載荷，本項(xiàng)目中活載為恒載的二倍，計(jì)算出的載荷如表 2所示。

（2）風(fēng)載。

風(fēng)荷載是各種工程結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計(jì)荷載，對(duì)高聳結(jié)構(gòu)常起控制作用，因此風(fēng)荷載的計(jì)算非常關(guān)鍵。本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮 45°方向的風(fēng)荷載，風(fēng)荷載按節(jié)點(diǎn)從屬面積簡(jiǎn)化為集中力施加在節(jié)點(diǎn)上。因風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算與結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及結(jié)構(gòu)自振周期有關(guān)，根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范施加在結(jié)構(gòu)單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下公式計(jì)算式：

wk =βz μs μz wo（1）

式中， βz為Z高度處的風(fēng)振系數(shù)； μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)； μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)； wo為基本風(fēng)壓 /kN·m -2。

風(fēng)振系數(shù) βz計(jì)算如下式所示：

（2）

式中， βz為風(fēng)振系數(shù)； ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)； v為脈動(dòng)影響系數(shù)； φz為 Z高度處的振型系數(shù)； μz為高度系數(shù)。

風(fēng)荷 W計(jì)算結(jié)果如表 3所示。風(fēng)載加載到節(jié)點(diǎn)上，如圖 3所示。

（ a） X向風(fēng)載方向 （ b） Z向風(fēng)載方向 （ c） -Z向風(fēng)載方向

圖 3各方向風(fēng)載

（ 3）其他載荷。

①裹冰荷載，在空氣濕度較大的地區(qū)，當(dāng)氣溫急劇下降時(shí)，結(jié)構(gòu)物的表面會(huì)有結(jié)冰現(xiàn)象，即成為裹冰。結(jié)冰主要取決于建筑物所在地區(qū)的氣象條件，即空氣濕度的大小和氣溫的高低。一般來講，裹冰是在無風(fēng)或弱風(fēng)時(shí)發(fā)生的。本工程，考慮焚燒爐有輻射熱的作用，可不考慮裹冰影響。

②溫度荷載，塔架平臺(tái)與排煙筒之間的連接，一般都采用滑道連接，縱向可自由變形。滑道應(yīng)留有足夠的橫向膨脹間隙，以保證橫向自由變形。塔架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和溫度變形一般可以不予考慮。

2.組合載荷下的變形

（1）組合載荷。

按照表4所示，按最不利工況條件的組合工況進(jìn)行計(jì)算。

（2）加載荷后的分析。

將計(jì)算出來的風(fēng)載分別加到各層結(jié)點(diǎn)上，約束塔架和煙囪底部的全部自由度，計(jì)算出來的變形如圖 4～6所示。

（a）變形（b）煙囪應(yīng)力（c）塔架應(yīng)力圖4基本工況1計(jì)算結(jié)果

（a）變形 （b）煙囪應(yīng)力 （c）塔架應(yīng)力圖5基本工況2計(jì)算結(jié)果

（a）變形（b）煙囪應(yīng)力（c）塔架應(yīng)力圖6基本工況3計(jì)算結(jié)果

①在 X風(fēng)載作用時(shí)，最大變形出現(xiàn)在煙囪頂部，最大變形為 726mm；最大應(yīng)力不超過 107MPa，出現(xiàn)在煙囪背風(fēng)面。

②在 Z風(fēng)載作用時(shí)，最大變形同樣出現(xiàn)在煙囪頂部，最大變形為 905mm；最大應(yīng)力不超過 167MPa，同樣出現(xiàn)在煙囪背風(fēng)面。

③在 -Z風(fēng)載作用時(shí)，最大變形出現(xiàn)在煙囪頂部，最大變形為696mm；最大應(yīng)力不超過57MPa，出現(xiàn)在煙囪背風(fēng)面。

從 3種工況結(jié)果可知，最大變形為 905mm，變形小于規(guī)范要求的變形量 1，200mm（高度的 1%）；應(yīng)力最大為167MPa，小于其許用應(yīng)力要求。

三、結(jié)語

通過運(yùn)用 ANSYS軟件對(duì)塔架式煙囪進(jìn)行分析，將組合載荷加載在整個(gè)塔架式煙囪上進(jìn)行靜力分析，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，具有實(shí)際意義，經(jīng)仿真得到的結(jié)果為結(jié)構(gòu)合理性驗(yàn)證提供了有力條件，同時(shí)為塔架式煙囪的優(yōu)化做了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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