特種鋼結構有限元分析
——脫硫塔結構托架部分靜力分析

陳庭芳

1 引言

20世紀70年代初，歐美等發達國家率先實施SO2控制排放戰略以來，其他國家和地區也制定了相關的排放規定。我國經濟發展起步晚，對于能源的利用率也較低，同時產生的廢氣處理也進行的比較緩慢，隨著國民經濟的發展，人們對環境問題越來越重視，因此，我國出臺了相關的環保制度，對有害氣體的排放量做了限制。對于火力發電產生的有害氣體主要為SO2，根據環保要求，火力發電產對所產生的廢氣必須進行脫硫工作，以保證排出的氣體中所含SO2符合規定。目前國內使用較多的方法為濕法煙氣脫硫。脫硫塔是我國火力發電廠進行脫硫工作的主要裝置，多為特種筒體薄壁鋼結構，整個體系結構的形式復雜。在對該類結構進行的設計時，由于沒有相關系統可靠的規范作為依據，只能憑靠以往的工程經驗指導，對于分析結果的準確性很難把握。整體建模費時費力，采用分塊建模的方式，由于選取的荷載較保守，使模型的分析結果有時不能完全符合實際，為保證工程的安全性，通常都在選取構件的材料和截面尺寸時，比較盲目，浪費材料。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容。如果該部分在整體建模與分塊建模后的分析結果相差不大，那么，為了減少工作量，我們就可以進行局部建模[3]。托架結構在脫硫塔結構中主要為傳力構件，其結構構件由桁架桿組成，只承受拉或壓荷載，該結構位于煙箱出口處下端，最下部位于環梁處，整個結構與內筒壁相連。托架底位于標高27m處，高度為10.6m。

2 托架結構模型建立

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構。因此它有兩個自由度。

2.2 建立模型

脫硫塔結構由塔體（內筒和外筒）、支承托架、文丘里、出口煙箱、支承環梁、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，托架結構在脫硫塔結構中主要為傳力構件，其結構構件由桁架桿組成，只承受拉或壓荷載，該結構位于煙箱出口處下端，最下部位于環梁處，整個結構與內筒壁相連。托架底位于標高27m處，高度為10.6m，如圖1所示。

（1）托架荷載情況：承受煙箱傳來的荷載，包括煙箱的自重和出口煙箱內的積灰荷載。荷載采用滿載情況下，即積灰高度為2m的時候。因此，選用等效集中力施加在桁架結構的頂端，荷載由邊向內依次為：500kN、300kN、100kN，兩邊是對稱布置。

（2）約束情況：在對該模型進行約束時，將構件與內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 托架計算結果分析

3.1 托架結構應力比較

應力比較時，選取具有代表性的單元進行比較，即應力最大和最小的單元，應力處于中間的單元，單元號依次為：59，130，151，155，180，取對應的應力值進行比較，如圖2所示。

圖1 托架結構荷載、約束、節點圖（kN）

圖2 托架結構應力比較圖

3.2 托架結構軸力比較

結構由上向下選取單元號為 116，113，109，123，54，130 的單元軸力進行比較如圖3所示。

3.3 托架結構位移變形比較

選取最邊上的豎向直接承受荷載的豎向支撐上的節點，依次由上向下，即節點號為95，2，16，29，42，55節點的位移和應力變形比較如圖4所示。

4 結語

通過采用軟件分析比較，托架結構由于只承受拉壓荷載，因此只產生軸向變形，由以上分析可知：

圖3 托架結構軸力比較圖

圖4 托架結構位移變形比較圖

（1）局部與整體協同作用情況下，結構的位移變化最大相差2mm，相當于變化是一致的，而應力相差最大不超過10MPa。

（2）軸力相差較大，局部分析時的數據比整體協同作用時的分析數據大48MPa，說明局部分析時偏于安全，但是浪費材料，經濟花費較大。

（3）在應力圖中發現，應力較大的桿件為位于結構下端的斜向支撐桿件，結構在設計過程中，應該對這部分的構件在截面選擇上選較大些的，以滿足承載能力。

（4）位移變形較大的是位于結構兩端的豎向桿件，這是因為這兩端的桿件承受的軸向力較大，所以對這部分的桿件也應適當加強。

[1]孫克勤，沈濤，于愛華，等.CAE技術在煙氣脫硫裝置復雜結構設計中的應用[J].電力環境保護，2004，20（1）：26～29.

[2]劉桂娥.矩形大開孔應力分析和脫硫塔強度與穩定性設計[D].北京：北京化工大學，2007，6.

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