脫硫石灰石倉鋼錐斗設計方法探討

楊秀杰

(大唐環境產業集團股份有限公司， 北京 100097)

脫硫石灰石倉鋼錐斗設計方法探討

楊秀杰

(大唐環境產業集團股份有限公司， 北京 100097)

介紹了脫硫石灰石倉鋼錐斗的有限元分析計算設計方法。該方法方便適用，可實現優化設計。并介紹了該技術在實際工程項目中的應用情況。

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)工藝儲存吸收劑的重要設備，脫硫系統運行時對石灰石的消化量較大，因此石灰石料倉容量較大，其結構設計的安全性和經濟性十分重要。從經濟合理性上考慮，石灰石料倉上部結構通常為混凝土結構，下部為鋼料斗，掛在混凝土梁上。為了結構設計和施工方便，常布置成1～2跨柱距內的矩形結構，可采用一個或多個鋼錐斗出料口。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結構。由于錐斗各側板受力較大，且為板、梁組合受力情況，受力情況較復雜。由于沒有明確的應力和變形計算公式，以及缺乏現成的設計規范可循，只有《鋼筋混凝土筒倉設計規范》以及《固體料倉》等作為參考與借鑒，因此，設計難度較大。隨著數值計算技術的發展，目前有限元分析技術成為最有效的分析設計工具。可以利用有限元分析技術對石灰石倉鋼錐斗結構進行分析設計，提高結構設計的安全性和經濟性。

1 有限元法及分析軟件

有限元法即有限單元法，是將連續的求解區域離散為一組有限個、按一定方式相互聯結在一起的單元的組合體。特點是利用在每一個單元內假設的近似函數來分片地表示全求解域上待求的未知函數，從而使一個連續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結方式進行組合，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雜的求解區域。

30多年來，有限單元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩定問題、動力問題。在工程分析中的作用已從分析和校核擴展到優化設計并和計算機輔助設計技術相結合。

在工程技術領域使用的有限元分析軟件較多，針對本文所研究的鋼錐斗結構，可采用ANSYS軟件進行分析。該軟件針對鋼錐斗板殼結構可實現方便的分析計算。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于各種工業領域及科學研究中。該軟件在電力環保行業中也得到了廣泛的應用。本文將使用ANSYS軟件針對某工程中的石灰石倉鋼錐斗結構進行分析設計。

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生的荷載，分別為垂直于斗壁方向的正壓力和石灰石流動時產生的沿著斗壁向下的切向力。

松散物料對倉壁的作用計算方法有詹森(Janssen)方法和賴姆伯特(Reimebert)方法。最新的料倉標準NB/T 47003.2—2009《固體料倉》采用了以賴姆伯特(Reimebert)理論為基礎的計算方法，而GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設計規范》采用詹森(Janssen)創立的料倉壓力理論為基礎的計算方法，兩種方法在計算上有差異，但計算結果的差異不大；相比較而言詹森(Janssen)方法計算更簡便。因此本分析報告中對料倉物料壓力計算采用GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設計規范》中的計算方法。

詹森(Janssen)方法在料倉壓力理論中主要依據了以下幾種簡化假設：

(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)側壓系數(比值k)在任意高度處是常數；

(4)倉殼的摩擦系數在任意高度處是常數。

松散物料的垂直壓力Pv為：

當按上式計算Pv值大于γhn時應取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算：

Pt=CvPv(1-k)sinαcosα

漏斗壁法向壓力按下式計算：

Pn=Pv(cos2α+ksin2α)

以上各算式中的符號說明參見GB50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設計規范》。

鋼錐斗的四面側壁板的傾斜角度可能不同，各側壁的荷載數據須分別計算。

2.2 結構分析與單元選擇

由于上部混凝土方倉儲料較深，在鋼錐斗側壁有較大壓力存在，設計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構，通過應力計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構，屬于大型帶肋薄殼結構，因此分析中擬采用梁、殼單元結合的有限元分析方法進行計算。選用殼單元SHELL181模擬鋼錐斗壁板，梁單元BEAM188模擬加固肋。

SHELL181單元是三維殼單元，適用于薄殼和中厚殼結構的分析。該單元具有4個節點，每個節點具有6個自由度，即沿著X、Y、Z方向的平動和繞著X、Y、Z軸的轉動。

BEAM188適合作細長的或適當短粗一些的梁結構，這種單元基于Timoshenko梁理論，并包含了剪切變形的影響。BEAM188單元有兩個節點，但它是立體的，可以通過定義截面形狀來定義它的各個尺寸，可模擬的各種截面形狀。

2.3 有限元模型

該項目石灰石倉結構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×寬×高)，下部鋼錐斗上口尺寸為7.8 m×7.6 m(長×寬)，下口尺寸為0.5 m×0.5 m(長×寬)，錐斗總高度為6.1 m，上下口中心偏心距為0.6 m。

由于設計溫度不高，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。

根據幾何參數、材料參數在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，軟件可根據材料體積自動計算材料質量。

(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，內摩擦角為35°，對鋼板摩擦系數為0.3。按2.1節計算方法計算出錐斗各個側壁的物料壓力后對模型施加物料正壓力和切向壓力荷載。施加方法可采用ANSYS軟件中的表面效應單元surf154加載，該方法簡便適用。

(3)約束條件

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

3 分析結果校核

3.1 校核方法

參照NB/T 47003.2—2009《固體料倉》標準，鋼錐斗的強度判據如下：

σ≤[σ]t

式中σ—結構中的等效應力； [σ]t—材料在設計溫度下的許用應力。

(1)材料本身的許用應力[σ]t

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

(2)殼體鋼板焊縫的許用應力

殼體焊縫采用全焊透結構，做局部無損檢測，按NB/T 47003.2—2009《固體料倉》4.7.2節焊縫系數取φ=0.85。

因此，殼體焊縫結構的許用應力為：φ[σ]t。

本鋼錐斗鋼材的設計許用應力為0.85×140=119 MPa。

3.2 結果校核

通過加載分析，可以得到該鋼錐斗的應力分布結果，通過優化布置加固肋截面、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。最終設計方案的分析結果見圖2、圖3所示。圖2為鋼錐斗壁板應力分布云圖，圖3為鋼錐斗總體應力分布云圖。

圖2 鋼錐斗壁板應力分布云圖

圖3 鋼錐斗應力分布云圖

從分析結果可以看出，鋼錐斗壁板最大等效應力為112.974 MPa，總體應力云圖中加固肋最大應力為116.249 MPa，均小于許用應力119 MPa，因此設計校核合格。

4 結論

本文結合某電廠脫硫工程中的石灰石倉鋼錐斗實例，闡述應用有限元軟件ANSYS 進行分析的過程和方法。通過分析得出如下結論：

(1)有限元分析設計方法對鋼錐斗進行應力計算是可行的，解決了受力復雜的結構計算難題。

(2)通過對鋼錐斗的結構方案進行試算，找出了鋼錐斗最大應力與最大變形出現的部位，然后對鋼錐斗結構布置進行有針對性的調整，完成了優化設計的最佳結構方案，為施工詳圖設計提供依據。

(3)計算出鋼錐斗與上部結構連接處約束的反力值，為石灰石倉上部支撐框架梁的結構設計提供準確的荷載數據。

[1] 黎大勝，沈鴻彪.雙出口新型煤斗設計探討[J].電力勘測設計，2013，8(4)：47-50.

[2] GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設計規范[S]，2003.

[3] NB/T47003.2—2009，固體料倉[S]，2009.

[4] 王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，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，主要從事電力環保、化工等行業非標設備設計工作。

X701

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1003-8884(2015)05-0014-03