楊秀杰

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 北京 100097)

脫硫石灰石倉鋼錐斗設(shè)計(jì)方法探討

楊秀杰

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 北京 100097)

介紹了脫硫石灰石倉鋼錐斗的有限元分析計(jì)算設(shè)計(jì)方法。該方法方便適用，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。并介紹了該技術(shù)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用情況。

鋼錐斗；石灰石倉；有限元分析

0 引言

石灰石料倉是濕法脫硫(WFGD)工藝儲(chǔ)存吸收劑的重要設(shè)備，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)石灰石的消化量較大，因此石灰石料倉容量較大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性十分重要。從經(jīng)濟(jì)合理性上考慮，石灰石料倉上部結(jié)構(gòu)通常為混凝土結(jié)構(gòu)，下部為鋼料斗，掛在混凝土梁上。為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方便，常布置成1～2跨柱距內(nèi)的矩形結(jié)構(gòu)，可采用一個(gè)或多個(gè)鋼錐斗出料口。鋼錐斗上口為較大的矩形，下口為出料口，通常也做成矩形，尺寸很小，形成倒置的四棱錐臺(tái)結(jié)構(gòu)。由于錐斗各側(cè)板受力較大，且為板、梁組合受力情況，受力情況較復(fù)雜。由于沒有明確的應(yīng)力和變形計(jì)算公式，以及缺乏現(xiàn)成的設(shè)計(jì)規(guī)范可循，只有《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《固體料倉》等作為參考與借鑒，因此，設(shè)計(jì)難度較大。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前有限元分析技術(shù)成為最有效的分析設(shè)計(jì)工具?？梢岳糜邢拊治黾夹g(shù)對(duì)石灰石倉鋼錐斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 有限元法及分析軟件

有限元法即有限單元法，是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知函數(shù)，從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解區(qū)域。

30多年來，有限單元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題。在工程分析中的作用已從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)并和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合。

在工程技術(shù)領(lǐng)域使用的有限元分析軟件較多，針對(duì)本文所研究的鋼錐斗結(jié)構(gòu)，可采用ANSYS軟件進(jìn)行分析。該軟件針對(duì)鋼錐斗板殼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)方便的分析計(jì)算。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于各種工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究中。該軟件在電力環(huán)保行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。本文將使用ANSYS軟件針對(duì)某工程中的石灰石倉鋼錐斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

2 鋼錐斗有限元分析

2.1 荷載分析

石灰石倉鋼錐斗所受的荷載主要是石灰石散料壓力產(chǎn)生的荷載，分別為垂直于斗壁方向的正壓力和石灰石流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沿著斗壁向下的切向力。

松散物料對(duì)倉壁的作用計(jì)算方法有詹森(Janssen)方法和賴姆伯特(Reimebert)方法。最新的料倉標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47003.2—2009《固體料倉》采用了以賴姆伯特(Reimebert)理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，而GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》采用詹森(Janssen)創(chuàng)立的料倉壓力理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，兩種方法在計(jì)算上有差異，但計(jì)算結(jié)果的差異不大；相比較而言詹森(Janssen)方法計(jì)算更簡(jiǎn)便。因此本分析報(bào)告中對(duì)料倉物料壓力計(jì)算采用GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》中的計(jì)算方法。

詹森(Janssen)方法在料倉壓力理論中主要依據(jù)了以下幾種簡(jiǎn)化假設(shè)：

(1)垂直載荷平均分布在水平橫截面上；

(2)物料堆積密度在任意高度處是相同的；

(3)側(cè)壓系數(shù)(比值k)在任意高度處是常數(shù)；

(4)倉殼的摩擦系數(shù)在任意高度處是常數(shù)。

松散物料的垂直壓力Pv為：

當(dāng)按上式計(jì)算Pv值大于γhn時(shí)應(yīng)取γhn值。

松散物料引起的水平壓力Ph為：

漏斗壁切向力按下式計(jì)算：

Pt=CvPv(1-k)sinαcosα

漏斗壁法向壓力按下式計(jì)算：

Pn=Pv(cos2α+ksin2α)

以上各算式中的符號(hào)說明參見GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》。

鋼錐斗的四面?zhèn)缺诎宓膬A斜角度可能不同，各側(cè)壁的荷載數(shù)據(jù)須分別計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)分析與單元選擇

由于上部混凝土方倉儲(chǔ)料較深，在鋼錐斗側(cè)壁有較大壓力存在，設(shè)計(jì)必須考慮錐斗壁鋼板和加固肋共同受力，故可采用板殼及梁加固結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)力計(jì)算選擇合適的鋼板厚度和加固肋截面。

該鋼錐斗采用板殼及梁加固結(jié)構(gòu)，屬于大型帶肋薄殼結(jié)構(gòu)，因此分析中擬采用梁、殼單元結(jié)合的有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算。選用殼單元SHELL181模擬鋼錐斗壁板，梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬加固肋。

SHELL181單元是三維殼單元，適用于薄殼和中厚殼結(jié)構(gòu)的分析。該單元具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，即沿著X、Y、Z方向的平動(dòng)和繞著X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

BEAM188適合作細(xì)長(zhǎng)的或適當(dāng)短粗一些的梁結(jié)構(gòu)，這種單元基于Timoshenko梁理論，并包含了剪切變形的影響。BEAM188單元有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，但它是立體的，可以通過定義截面形狀來定義它的各個(gè)尺寸，可模擬的各種截面形狀。

2.3 有限元模型

該項(xiàng)目石灰石倉結(jié)構(gòu)由上部混凝土方倉和下部鋼錐斗2部分組成，上部混凝土方倉尺寸為8.3 m×8 m×9 m(長(zhǎng)×寬×高)，下部鋼錐斗上口尺寸為7.8 m×7.6 m(長(zhǎng)×寬)，下口尺寸為0.5 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬)，錐斗總高度為6.1 m，上下口中心偏心距為0.6 m。

由于設(shè)計(jì)溫度不高，錐斗鋼板及加固肋型鋼采用Q235B鋼材。加固肋可采用角鋼、T型鋼、槽鋼等多種截面形狀。

根據(jù)幾何參數(shù)、材料參數(shù)在ANSYS軟件中建立的鋼錐斗模型如圖1所示。

圖1 鋼錐斗三維模型

2.4 載荷施加和約束條件

(1)鋼錐斗及加固肋自重

本鋼錐斗及加固肋材料Q235B密度為7 850 kg/m3。在ANSYS軟件模型中施加z方向重力加速度9.81 m/s2即可，軟件可根據(jù)材料體積自動(dòng)計(jì)算材料質(zhì)量。

(2)鋼錐斗物料壓力荷載

本鋼錐斗盛裝物料為石灰石，堆積密度為14 kN/m3，內(nèi)摩擦角為35°，對(duì)鋼板摩擦系數(shù)為0.3。按2.1節(jié)計(jì)算方法計(jì)算出錐斗各個(gè)側(cè)壁的物料壓力后對(duì)模型施加物料正壓力和切向壓力荷載。施加方法可采用ANSYS軟件中的表面效應(yīng)單元surf154加載，該方法簡(jiǎn)便適用。

(3)約束條件

該鋼錐斗通過上部壁板及加強(qiáng)板焊接固定在混泥土梁的埋件上，假設(shè)混泥土梁為剛性，因此鋼錐斗頂部施加全約束。

3 分析結(jié)果校核

3.1 校核方法

參照NB/T 47003.2—2009《固體料倉》標(biāo)準(zhǔn)，鋼錐斗的強(qiáng)度判據(jù)如下：

σ≤[σ]t

式中σ—結(jié)構(gòu)中的等效應(yīng)力； [σ]t—材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

(1)材料本身的許用應(yīng)力[σ]t

按NB/T 47003.2—2009《固體料倉》5.2.1節(jié)表5，查得本鋼制料倉材料Q235B本身在常溫下許用應(yīng)力為140 MPa。

(2)殼體鋼板焊縫的許用應(yīng)力

殼體焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)，做局部無損檢測(cè)，按NB/T 47003.2—2009《固體料倉》4.7.2節(jié)焊縫系數(shù)取φ=0.85。

因此，殼體焊縫結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為：φ[σ]t。

本鋼錐斗鋼材的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為0.85×140=119 MPa。

3.2 結(jié)果校核

通過加載分析，可以得到該鋼錐斗的應(yīng)力分布結(jié)果，通過優(yōu)化布置加固肋截面、位置及間距，最終確定了該鋼錐斗鋼板厚度及加固肋的布置形式。最終設(shè)計(jì)方案的分析結(jié)果見圖2、圖3所示。圖2為鋼錐斗壁板應(yīng)力分布云圖，圖3為鋼錐斗總體應(yīng)力分布云圖。

圖2 鋼錐斗壁板應(yīng)力分布云圖

圖3 鋼錐斗應(yīng)力分布云圖

從分析結(jié)果可以看出，鋼錐斗壁板最大等效應(yīng)力為112.974 MPa，總體應(yīng)力云圖中加固肋最大應(yīng)力為116.249 MPa，均小于許用應(yīng)力119 MPa，因此設(shè)計(jì)校核合格。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某電廠脫硫工程中的石灰石倉鋼錐斗實(shí)例，闡述應(yīng)用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行分析的過程和方法。通過分析得出如下結(jié)論：

(1)有限元分析設(shè)計(jì)方法對(duì)鋼錐斗進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算是可行的，解決了受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算難題。

(2)通過對(duì)鋼錐斗的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行試算，找出了鋼錐斗最大應(yīng)力與最大變形出現(xiàn)的部位，然后對(duì)鋼錐斗結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整，完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳結(jié)構(gòu)方案，為施工詳圖設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(3)計(jì)算出鋼錐斗與上部結(jié)構(gòu)連接處約束的反力值，為石灰石倉上部支撐框架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的荷載數(shù)據(jù)。

[1] 黎大勝，沈鴻彪.雙出口新型煤斗設(shè)計(jì)探討[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2013，8(4)：47-50.

[2] GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范[S]，2003.

[3] NB/T47003.2—2009，固體料倉[S]，2009.

[4] 王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

Research on Design Method of Limestone Hopper in FGD

YANG Xiu-jie

Finite element analysis design method on steel hopper of limestone bunker is introduced, the method is convenient, and the optimization design will come true based on the design method. Taking an actual project as an example, it gives an introduction to the application of the finite element analysis design method.

steel hopper； limestone bunker； finite element analysis

2015-05-26

楊秀杰(1982-)，男，滿族，河北承德人，工程師，碩士研究生，主要從事電力環(huán)保、化工等行業(yè)非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

X701

B

1003-8884(2015)05-0014-03