天然氣凈化廠尾氣焚燒爐有限元分析

楊建東　董艷國

摘要：運用通用有限元軟件 ANSYS，對高 120m的塔架式鋼煙囪結構進行了橫載、活載和風載荷分析，然后根據規范要求對各工況荷載作用下 Von mises應力組合，得出關鍵部位最大應力和最大變形，驗算塔架式煙囪強度和剛度。其驗算結果均滿足現行規范要求，也為同類結構的研究提供參考。

關鍵詞：塔架式煙囪，有限元分析，強度和剛度校核

天然氣凈化廠尾氣焚燒爐是將脫硫裝置脫除的酸氣進入尾氣焚燒爐焚燒，將酸氣中的H 2S轉化成SO 2后排入大氣，是保證凈化廠連續、穩定和安全生產的必需設施，又是減少化工大氣對周圍空氣污染的一個重要手段。

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揮，經濟適用，應用廣泛。本文以長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對其進行靜態分析。

一、塔架式煙囪有限元分析方法

塔架式鋼煙囪屬高聳結構，需要很大的強度和剛度。其正常使用的極限狀態和承載能力的極限狀態，基本都由橫向荷載控制，而風載帶有明顯的動力效應。分析塔架的剛度問題屬于大型結構的力學問題，要直接利用數學、力學等理論知識進行求解往往很困難，若要考慮煙囪、塔架與平臺的整體剛度問題則更為困難。根據塔架式煙囪的結構、各種受力和約束，應用有限元法模擬，可以計算出塔架式煙囪的最大變形，能夠較真實地模擬出塔架在風載使用過程。

首先要建立塔架式煙囪的三維模型，結合煙囪的材料及屬性轉化為有限元分析模型，對有限元模型添加約束邊界并施加載荷，然后計算求解，進行塔架式煙囪的結構靜力分析，通過有限元后處理分析結果可分別獲得塔架式煙囪的最大變形和最大應力，結合材料特性和相關標準規范判斷，從而為改進和優化塔架式煙囪設計提供可靠的數據支持。

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，共設有 7個平臺。立柱、腹桿及水平支撐為圓形鋼管，平臺框架為槽鋼。

基于計算精度、計算時間和經濟性方面的綜合要求，在不影響計算精度的前提下，需要對模型進行適當的簡化和修改，避免在網格劃分時由于不必要的小特征而產生大量單元，簡化之后的結構就是我們在分析中所要用到的理想化的計算模型。該計算模型與實際結構存在著一定的差異，但仍然保持了原結構的主要力學特征，這樣就使得計算所得的結果與實際情況并不會存在過大差異。

為了便于建模以及劃分有限元網格，在建模之前對原始模型進行了合理的簡化。

（1）塔架各桿的交匯點，均為理想的鉸接點。

（2）平臺只保留框架部分，平臺面部分忽略。

（3）煙囪裙座簡化成固定支撐，同樣塔架支座也當做固定端。

（4）平臺和煙囪接觸部分綁定。

本項目中，煙囪為薄壁結構，采用殼單元；塔架為空間桁架結構，采用梁單元。設置單元屬性時，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、平臺載荷、風載和溫度載荷等。各類載荷的具體描述如下。

（1）平臺載荷：恒載、活載。

平臺載荷主要包括恒載和活載，恒載為平臺自重，可根據實際模型計算出來；活載為人員檢修操作帶來的載荷，本項目中活載為恒載的二倍，計算出的載荷如表 2所示。

（2）風載。

風荷載是各種工程結構的重要設計荷載，對高聳結構常起控制作用，因此風荷載的計算非常關鍵。本工程結構計算時考慮 45°方向的風荷載，風荷載按節點從屬面積簡化為集中力施加在節點上。因風荷載標準值的計算與結構構件尺寸及結構自振周期有關，根據高聳結構設計規范施加在結構單位面積上的風荷載標準值按以下公式計算式：

wk =βz μs μz wo（1）

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

風振系數 βz計算如下式所示：

（2）

式中， βz為風振系數； ξ為脈動增大系數； v為脈動影響系數； φz為 Z高度處的振型系數； μz為高度系數。

風荷 W計算結果如表 3所示。風載加載到節點上，如圖 3所示。

（ a） X向風載方向 （ b） Z向風載方向 （ c） -Z向風載方向

圖 3各方向風載

（ 3）其他載荷。

①裹冰荷載，在空氣濕度較大的地區，當氣溫急劇下降時，結構物的表面會有結冰現象，即成為裹冰。結冰主要取決于建筑物所在地區的氣象條件，即空氣濕度的大小和氣溫的高低。一般來講，裹冰是在無風或弱風時發生的。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。滑道應留有足夠的橫向膨脹間隙，以保證橫向自由變形。塔架結構的溫度應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行計算。

（2）加載荷后的分析。

將計算出來的風載分別加到各層結點上，約束塔架和煙囪底部的全部自由度，計算出來的變形如圖 4～6所示。

（a）變形（b）煙囪應力（c）塔架應力圖4基本工況1計算結果

（a）變形 （b）煙囪應力 （c）塔架應力圖5基本工況2計算結果

（a）變形（b）煙囪應力（c）塔架應力圖6基本工況3計算結果

①在 X風載作用時，最大變形出現在煙囪頂部，最大變形為 726mm；最大應力不超過 107MPa，出現在煙囪背風面。

②在 Z風載作用時，最大變形同樣出現在煙囪頂部，最大變形為 905mm；最大應力不超過 167MPa，同樣出現在煙囪背風面。

③在 -Z風載作用時，最大變形出現在煙囪頂部，最大變形為696mm；最大應力不超過57MPa，出現在煙囪背風面。

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

三、結語

通過運用 ANSYS軟件對塔架式煙囪進行分析，將組合載荷加載在整個塔架式煙囪上進行靜力分析，可以驗證設計的正確性，具有實際意義，經仿真得到的結果為結構合理性驗證提供了有力條件，同時為塔架式煙囪的優化做了一定的基礎。

參考文獻

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