特種鋼結(jié)構(gòu)有限元分析
——脫硫塔結(jié)構(gòu)托架部分靜力分析

陳庭芳

1 引言

20世紀(jì)70年代初，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先實(shí)施SO2控制排放戰(zhàn)略以來(lái)，其他國(guó)家和地區(qū)也制定了相關(guān)的排放規(guī)定。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起步晚，對(duì)于能源的利用率也較低，同時(shí)產(chǎn)生的廢氣處理也進(jìn)行的比較緩慢，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越重視，因此，我國(guó)出臺(tái)了相關(guān)的環(huán)保制度，對(duì)有害氣體的排放量做了限制。對(duì)于火力發(fā)電產(chǎn)生的有害氣體主要為SO2，根據(jù)環(huán)保要求，火力發(fā)電產(chǎn)對(duì)所產(chǎn)生的廢氣必須進(jìn)行脫硫工作，以保證排出的氣體中所含SO2符合規(guī)定。目前國(guó)內(nèi)使用較多的方法為濕法煙氣脫硫。脫硫塔是我國(guó)火力發(fā)電廠進(jìn)行脫硫工作的主要裝置，多為特種筒體薄壁鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的形式復(fù)雜。在對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的設(shè)計(jì)時(shí)，由于沒(méi)有相關(guān)系統(tǒng)可靠的規(guī)范作為依據(jù)，只能憑靠以往的工程經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，對(duì)于分析結(jié)果的準(zhǔn)確性很難把握。整體建模費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采用分塊建模的方式，由于選取的荷載較保守，使模型的分析結(jié)果有時(shí)不能完全符合實(shí)際，為保證工程的安全性，通常都在選取構(gòu)件的材料和截面尺寸時(shí)，比較盲目，浪費(fèi)材料。所以，脫硫塔的托架部分是否可以分塊建模就成為本文研究的核心內(nèi)容。如果該部分在整體建模與分塊建模后的分析結(jié)果相差不大，那么，為了減少工作量，我們就可以進(jìn)行局部建模[3]。托架結(jié)構(gòu)在脫硫塔結(jié)構(gòu)中主要為傳力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件由桁架桿組成，只承受拉或壓荷載，該結(jié)構(gòu)位于煙箱出口處下端，最下部位于環(huán)梁處，整個(gè)結(jié)構(gòu)與內(nèi)筒壁相連。托架底位于標(biāo)高27m處，高度為10.6m。

2 托架結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 模型基本單元的選取

本文采用MIDAS中的桁架桿單元模擬煙道托架。桁架單元屬于只能承受軸向荷載的桿件結(jié)構(gòu)。因此它有兩個(gè)自由度。

2.2 建立模型

脫硫塔結(jié)構(gòu)由塔體（內(nèi)筒和外筒）、支承托架、文丘里、出口煙箱、支承環(huán)梁、煙箱等組成。托架主要用于支撐出口煙箱并將其荷載傳遞下去。因此，托架結(jié)構(gòu)在脫硫塔結(jié)構(gòu)中主要為傳力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件由桁架桿組成，只承受拉或壓荷載，該結(jié)構(gòu)位于煙箱出口處下端，最下部位于環(huán)梁處，整個(gè)結(jié)構(gòu)與內(nèi)筒壁相連。托架底位于標(biāo)高27m處，高度為10.6m，如圖1所示。

（1）托架荷載情況：承受煙箱傳來(lái)的荷載，包括煙箱的自重和出口煙箱內(nèi)的積灰荷載。荷載采用滿(mǎn)載情況下，即積灰高度為2m的時(shí)候。因此，選用等效集中力施加在桁架結(jié)構(gòu)的頂端，荷載由邊向內(nèi)依次為：500kN、300kN、100kN，兩邊是對(duì)稱(chēng)布置。

（2）約束情況：在對(duì)該模型進(jìn)行約束時(shí)，將構(gòu)件與內(nèi)筒壁連接處視為固定約束。

（3）材料及截面特性：托架采用Q345鋼，采用三種圓鋼φ89×8、φ121×8、φ203×12。

3 托架計(jì)算結(jié)果分析

3.1 托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較

應(yīng)力比較時(shí)，選取具有代表性的單元進(jìn)行比較，即應(yīng)力最大和最小的單元，應(yīng)力處于中間的單元，單元號(hào)依次為：59，130，151，155，180，取對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖1 托架結(jié)構(gòu)荷載、約束、節(jié)點(diǎn)圖（kN）

圖2 托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較圖

3.2 托架結(jié)構(gòu)軸力比較

結(jié)構(gòu)由上向下選取單元號(hào)為 116，113，109，123，54，130 的單元軸力進(jìn)行比較如圖3所示。

3.3 托架結(jié)構(gòu)位移變形比較

選取最邊上的豎向直接承受荷載的豎向支撐上的節(jié)點(diǎn)，依次由上向下，即節(jié)點(diǎn)號(hào)為95，2，16，29，42，55節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力變形比較如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用軟件分析比較，托架結(jié)構(gòu)由于只承受拉壓荷載，因此只產(chǎn)生軸向變形，由以上分析可知：

圖3 托架結(jié)構(gòu)軸力比較圖

圖4 托架結(jié)構(gòu)位移變形比較圖

（1）局部與整體協(xié)同作用情況下，結(jié)構(gòu)的位移變化最大相差2mm，相當(dāng)于變化是一致的，而應(yīng)力相差最大不超過(guò)10MPa。

（2）軸力相差較大，局部分析時(shí)的數(shù)據(jù)比整體協(xié)同作用時(shí)的分析數(shù)據(jù)大48MPa，說(shuō)明局部分析時(shí)偏于安全，但是浪費(fèi)材料，經(jīng)濟(jì)花費(fèi)較大。

（3）在應(yīng)力圖中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力較大的桿件為位于結(jié)構(gòu)下端的斜向支撐桿件，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)這部分的構(gòu)件在截面選擇上選較大些的，以滿(mǎn)足承載能力。

（4）位移變形較大的是位于結(jié)構(gòu)兩端的豎向桿件，這是因?yàn)檫@兩端的桿件承受的軸向力較大，所以對(duì)這部分的桿件也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

[1]孫克勤，沈濤，于愛(ài)華，等.CAE技術(shù)在煙氣脫硫裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù)，2004，20（1）：26～29.

[2]劉桂娥.矩形大開(kāi)孔應(yīng)力分析和脫硫塔強(qiáng)度與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[D].北京：北京化工大學(xué)，2007，6.

[3]許謀奎，馬人樂(lè).鎮(zhèn)江電廠脫硫吸收塔有限元計(jì)算分析[J].特種結(jié)2005，22（2）：23～25.