溫度荷載對鋼煙囪的影響分析

(山西工程職業技術學院， 山西 太原 030009)

為適應工業生產的發展需要，煙囪的高度愈來愈高、直徑愈來愈大，常用的磚煙囪和鋼筋混凝土煙囪已不能完全滿足生產工藝的要求。而鋼制煙囪強度高、抗震能力好，適合設計成大直徑的高聳煙囪，目前已在大型廠礦中得到較廣泛的應用。雖然我國已有現行煙囪的設計規范[1]，但沒有溫度對鋼煙囪影響的相關條文。

很多學者對鋼煙囪的受力進行了研究，文獻[2-3]指出，鋼煙囪在各種荷載組合工況下最大應力出現在煙道口筒壁，煙道孔對鋼煙囪受力和變形有較大影響，開孔引起應力集中，使風載和自重作用下的最大應力增加了近2倍，溫度應力增加80%，開孔使煙囪的基頻減小10%，地震應力響應增加了至少2倍。文獻[4]提出，設置破風圈可減小煙囪頂部的振幅，避免煙囪產生共振現象，并闡述了煙囪垂直于風向的橫向風振計算。文獻[5]提出，對于四管塔架式鋼煙囪，考慮塔架與排煙筒協同受力更加合理，能充分發揮排煙筒的剛度來抵抗風荷載。文獻[6]系統歸納了大直徑鋼管煙囪的有限元分析和穩定設計理論。文獻[7-13]提出了高聳結構動力特性分析的Adomian分解法，并對自立式鋼煙囪的橫風向風振和渦振問題進行了研究，指出煙囪殼體對于缺陷敏感性較強，渦振設計的關鍵是對其固有頻率的控制，并提出了解決鋼煙囪大幅晃動的措施。文獻[14-15]對鋼煙囪筒壁局部穩定性進行了計算研究，提出沿高度采用變截面和變板厚的形式，合理設置縱、橫加勁肋是增強結構穩定性的關鍵。以上文獻均未就溫度荷載對鋼煙囪的影響進行研究，實際上，煙囪內氣流溫度高達1 000 ℃，雖然設置有隔熱層或隔熱材料以降低鋼煙囪的溫度，但筒壁上的溫度仍然超過100 ℃。即使不考慮因溫度而引起的材料性質的變化，也應考慮溫度對煙囪的受力和變形的影響。文中以高50 m、直徑4.402 m的實際應用鋼煙囪為例，利用ANSYS有限元分析軟件研究溫度載荷對鋼煙囪的影響，以期為煙囪設計提供參考。

1 鋼煙囪概況

該鋼煙囪由內外2層組成，內層為耐火磚的隔熱層，外層為Q235鋼壁筒，兩者之間留有20 mm的孔間隙。鋼煙囪總高50 m，底部直徑4.402 m，頂部直徑3.812 m。沿煙囪高度為變厚度的錐形，厚度從底部到頂部在60～16 mm變化。煙道孔直徑3.164 m，設置在距筒底7.74 m處。在本研究中，沒有考慮2層煙囪的共同作用，只將耐火磚筒的質量等效作用到鋼煙囪的相應位置上。

由煙囪內層傳到鋼筒上的溫度為60～100 ℃，日照陰陽面的溫差為40 ℃，室外平均溫度為20 ℃，鋼材的線膨脹系數1.2×10-5/℃，混凝土的線膨脹系數9.9×10-6/℃，分別研究煙囪筒內高溫氣流和日照陰陽面溫差對鋼煙囪的影響。

2 鋼煙囪計算模型

在建立鋼煙囪計算模型時，除考慮煙囪本身外，還應考慮基礎和煙道的影響，故取12 m×12 m×5 m的部分基礎及部分煙道建模。筒體頂部設置有增強煙囪橫向剛度的加勁環梁。在有限元模型中，分別采用殼單元shell63模擬煙囪壁面和部分煙道，采用梁單元beam44模擬筒體頂部的加勁肋，采用體單元solid45模擬基礎。采用映射網格進行網格劃分，煙囪和煙道殼單元用四邊形網格，局部相交處采用三角形網格。基礎體單元采用六面體網格，局部與煙囪相交處采用四面體網格，單元總數為2 058。計算模型約束條件為，除基礎頂部為自由表面外，其余5個側面均視為三向約束。鋼煙囪計算模型及網格劃分見圖1。

圖1 鋼煙囪計算模型及網格劃分

3 鋼煙囪計算結果與分析

計算表明溫度對煙囪的影響主要表現在煙道孔附近及其下部，故下文中各圖只繪出煙囪筒體高度25 m以下部分的結果。

3.1 筒壁溫度的影響

3.1.1變形

筒壁溫度為60 ℃時，有煙道孔煙囪在自重和筒壁溫度載荷作用下的變形見圖2。圖中MN、MX是軟件標識計算結果最大和最小位置。

由圖2可見，沿筒體高度煙囪的變形明顯分為2部分，煙道孔以上變形均勻，煙道孔以下變形復雜，即煙道孔處正面收縮，側面膨脹。煙道孔以下繼續膨脹，底部因基礎的限制而收縮。這種變形狀態與煙囪的剛度變化有關，煙道孔改變了煙囪均勻外形，引起剛度的突變，導致變形狀態復雜化，也會影響到煙囪的內力。

圖2 筒壁溫度60 ℃時有煙道孔煙囪在自重和筒壁溫度載荷作用下的變形

3.1.2膜力

筒壁溫度為60 ℃時，有無煙道孔煙囪單位長度上煙囪壁膜力沿筒體高度的變化曲線見圖3。

圖3 筒壁溫度60 ℃時有無煙道孔煙囪單位長度上煙囪壁膜力沿筒體高度變化曲線

由圖3可見，①煙囪的環向膜力和豎向膜力沿筒體高度的變化規律基本相同，在煙道孔以上，膜力分布均勻，其值也小。在煙道孔處，因剛度的突變引起內力劇增，使其達到最大值。在筒體底部，因基礎的限制使膜力在反向達到峰值，顯然，該膜力的分布與圖2的變形狀態相協調。②均勻升溫時，無煙道孔的煙囪除基礎外，膜力變化均勻，其值也小。有煙道孔的煙囪豎向膜力均為負值，表明筒壁溫度引起的膜力較小，其值仍由自重控制，即均勻升溫對無煙道孔的煙囪影響較小，而對有煙道孔的煙囪，煙道孔使膜力劇增。

3.1.3彎矩

筒壁溫度為60 ℃時，有無煙道孔煙囪單位長度上彎矩沿筒體高度的變化曲線見圖4。

圖4 筒壁溫度60 ℃時有無煙道孔煙囪單位長度上彎矩沿筒體高度變化曲線

由圖4可見，煙囪的環向彎矩和豎向彎矩均在煙道孔處達到峰值，只是環向彎矩的影響范圍較大。無煙道孔的煙囪除在底部有較小彎矩外，其它部位的彎矩可忽略不計，表明無煙道孔的煙囪主要靠膜力承載，而有煙道孔的煙囪則靠膜力和彎矩共同承載，即煙道孔在改變了煙囪變形狀態的同時，也改變了受力狀態。

3.1.4應力

有無筒壁溫度影響時煙囪Mises應力沿筒體高度的分布曲線見圖5，Mises應力沿煙道孔環向的變化情況見圖6，不同溫度工況下煙囪最大Mises應力見表1。

圖5 有無筒壁溫度影響時煙囪Mises應力沿筒體高度分布曲線

圖6 筒壁升溫時Mises應力沿煙道孔環向變化情況

MPa

由圖5和表1可見，考慮溫度影響時筒體高度20 m以上的煙囪Mises應力分布均勻，與無溫度影響的煙囪Mises應力曲線值相差甚小，筒體高度20 m以下Mises應力分布復雜，分別在煙道孔和基底處達到峰值。值得注意的是，因煙道孔處應力集中嚴重，最大應力與不考慮溫度影響時的應力相比大1個數量級，其值已達207 MPa(圖6)。當與其它載荷工況組合時，煙道孔處的應力可能首先達到鋼材的屈服強度，若受橫向載荷作用，煙囪將發生繞煙道孔的剛體轉動，甚至有倒塌的危險。可見煙道孔處應力集中的影響不在煙道孔局部，而是對整個煙囪安全的影響。

3.2 日照溫差的影響

3.2.1變形

當對煙囪進行檢修或煙囪不工作時，受日照作用，煙囪陰陽面會產生溫差。該煙囪陰陽面溫差為40 ℃，煙囪在自重和40 ℃日照溫差作用下的變形云圖見圖7。

圖7 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪變形云圖

由圖7可見，在日照溫差作用下，煙囪主要產生彎曲變形，筒體頂部的水平位移達18 cm。

3.2.2應力

煙囪在自重和40 ℃日照溫差作用下的Mises應力分布云圖見圖8，煙囪Mises應力沿筒體高度變化曲線見圖9，煙囪Mises應力沿煙道孔環向變化情況見圖10。

圖8 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪Mises應力分布云圖

由圖8～圖10可見，除煙道孔外，煙囪其它部位的應力分布較均勻，煙道孔處有嚴重的應力集中現象，應力峰值為132 MPa，發生在孔邊處。

圖9 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪Mises應力沿筒體高度變化曲線

圖10 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪Mises應力沿煙道孔環向變化情況

綜上所述，當煙囪均勻升溫時，主要發生軸向的伸縮變形；當承受日照溫差作用時，主要發生彎曲變形。不論是均勻升溫還是日照溫差作用，煙道孔處均發生嚴重的應力集中現象，最大應力均發生在煙道孔邊處。

4 結論

(1)在均勻升溫和日照溫差作用下，煙道孔處孔發生嚴重的應力集中現象，改變了煙囪的均勻受力狀態，并影響到相鄰部位。

(2)均勻升溫60 ℃時，除煙道孔外，煙囪主要發生軸向的伸縮變形，其膜力、彎矩和應力在煙道孔處分布不均，數值劇增，最大應力為207 MPa，發生在孔邊處。

(3)在日照溫差40 ℃作用時，煙囪主要發生彎曲變形，應力在煙道孔處分布不均，其值劇增，最大應力為132 MPa，同樣發生在孔邊處。