国内脱硫塔多种主流塔型有限元分析

1国内脱硫塔多种主流塔型有限元分析张华1,王吉特2,陈瞻3(1.中国华电工程（集团）有限公司，北京市，100044；2.大唐环境科技工程有限公司，北京市，100097；3.北京康瑞健生环保工程技术有限公司，北京市，100089)［摘要］采用壳单元、梁单元，利用ANSYS软件APDL对喷淋塔进行参数化建模，对结构的自重、液体静压力、风压及地震荷载各种组合工况下进行了强度和稳定性研究。通过分析，可以找到该结构形式的薄弱环节，为进一步设计提供了良好的依据。［关键词］脱硫塔；有限元；ANSYSFiniteelementanalysisofseveralprimarydesulfurizationabsorberinchinaZhang-hua1,Wangji-te2,Chen-zhan3(1.ChinaHuadianEngineeringCo.,Ltd，beijing100044,China；2.DatangEnvironmentalTechnologies&EngineeringCo.,Ltd，beijing100097,China；3.BeijingKrjsEnvironmentprotectionEngineering-techCo.,Ltd，beijing100089,China)［Abstract］Withshell63,beam188element,parametricFEAmodalisestablishedforlargedesulfurizerbyusingAPDLofthefiniteelementsoftwareANSYS.Thestructureisanalyzedstrengthandstabilityundercombinedloadofweight,windandseismicload.Resultsshowthatthereexistweeklinks,providingwithgoodbasisforfurtherdesigning.［Keywords］Desulfurizer;Finiteelementanalysis;ANSYS0引言受国家环保政策对燃煤二氧化硫排放控制要求的推动，近几年，烟气脱硫市场呈井喷状扩大，庞大的脱硫产业应运而生。脱硫塔是烟气脱硫装置的核心设备，可把脱硫塔分为喷淋塔、填料塔、鼓泡塔、液柱吸收塔等四种形式。由于喷淋塔结构简单、操作与维护方便、脱硫效率高而且在工程应用上较为成熟，因此，喷淋塔成为脱硫工艺的主流塔型。本文针对目前国内5种喷淋塔主流塔型，利用ANSYS软件APDL语言进行参数化建模，在各种组合工况下，进行强度、稳定性分析，并提出一些优化设计的建议和思路，供同行参考。1多种主流塔型有限元分析依靠手工对喷淋塔进行力学计算是非常困难的，尤其是塔体上分布各种类型的加强筋，矩型开孔尺寸大、塔内件复杂，有时塔体外形不规则，使得人力计算根本就不可能。利用目前比较成熟的有限元分析方法进行计算分析似乎成为唯一的选择。1.1多种主流塔型有限元模型应用ANSYS软件中的板壳单元（shell63）对塔进行建模，利用梁单元(beam188)进行加强筋的建模，从而建立整体有限元模型。SHELL63既具有弯曲能力和又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析（有限转动）中可以采用不2变的切向刚度矩阵。单元SHELL63单元定义需要四个节点、四个厚度、一个弹性地基刚度和正交各向异性的材料。正交各向异性的材料参数的方向依据单元坐标系。单元的X轴可以转动一个角度THETA（度数）。如果单元厚度不变，只需输入TK(I)即可；压向单元的荷载为正荷载。边界压力输入值为单位长度上的力。侧向荷载可能是一个作用在节点上的等效（集中）单元荷载(KEYOPT(6)=0)，或者是在分配在单元面上(KEYOPT(6)=2)。在以平面单元代替曲面的情况或者单元支撑在弹性地基上时，因为消去了一些假定的弯曲应力，等效单元荷载可以得到更为精确的应力结果。BEAM188是从ANSYS5.5版开始出现的新型梁单元。它基于铁摩辛柯梁理论，适合于细长梁或适度深梁的计算分析，并考虑了剪切变形的影响。其使用及后处理比起传统的梁单元来说，更加直观方便，具有更广泛的适用性。BEAM188单元是两节点三维梁单元。它的最大特点是支持梁截面形状显示，可以考虑剪切变形和翘曲，同时也支持大转动和大应变等非线性行为，而且也可以直接显示梁截面上的应力和变形。在用BEAM188建模时必须先定义截面形状，而且必须指定一个方向点，在形成的每个梁单元中都会生成一个方向节点（即额外节点），它是梁单元的组成部分。BEAM188单元每个节点具有六个或七个自由度，自由度的多少取决于用户对KEYOPT（1）的选择。如果KEYOPT（1）=0，则每个节点有六个自由度，包括沿节点X，Y，Z方向的平动及绕节点X，Y，Z轴的转动；如果KEYOPT（1）=1，则再加上一个翘曲自由度。该单元具有应力刚化及大变形功能，并支持弹性、徐变或塑性模型。如下图所示，5种塔型的直径在12000mm--23000mm之间，高度在23000――36000mm之间（塔型5中，塔底到钢烟囱的高度为50000mm）本文将针对下面的5种塔型进行分析，找到设计中他们共同存在的问题，和应注意的事项。塔型1塔型23塔型3塔型4塔型5喷淋塔有限元模型是完全按照1：1尺寸进行的建模，所有荷载可以不用任何变化，完全按照实际情况施加到塔体模型上。求解后可得到任意位置道的各向应力、综合应力、各向变形及综合变形，然后根据各自的准则进行校核。1.2荷载及边界条件此设备主要承受自重、内压、风荷载、地震荷载、液柱静压力作用，计算风载荷以矩形孔相对的侧面为作用面，地震荷载和风荷载取相同的作用方向。自重的处理：施加重力加速度g，并定义材料的密度。塔上设备处理：相应位置上施加各设备等产生的平衡分布力。喷淋塔下部浆液的静压力Pg的作用：Pg=ρgH式中：ρ为浆液的密度；g为重力加速度;H为浆液的高度。地震荷载的处理：地震发生时，地面运动是复杂的空间运动，分为三个平动和三个转动分量。转动分量实测数据少，一般不予考虑。地震力是一种惯性力，施加地震力是通过给定地震水平加速度和垂直加速度且给定钢结构各种材料密度后实现的，即F＝mα。由于建立模型时，没有考虑塔上的设备模型，故由于平台上设备引起的地震惯性力可通过质量等效转移法作工程上的处理。石灰石浆液在水平地震力的作用下对塔壁造成的压力与重力作用下的液体静压力类似，可以以液体静压力的形式施加。风荷载的施加。Wk=βzμsμzWoWk—风荷载标准值（kN/m2）βz—高度z处的风振系数μs—风荷载体型系数μz—风压高度变化系数Wo—基本风压（kN/m2）加载时，在迎风面使用表面效应单元surf154，同时采用加载函数实现不同高度处风压4的自动计算。约束条件：塔底视为固支，将六个自由度全部约束。1.3强度分析在以上荷载组合作用下，由有限元分析方法计算塔体各个部分的组合应力，按照第三或第四强度理论来校核。5种塔型分析计算发现，由于液体静压力的作用，塔体底部有较大的应力强度。但最大应力均发生在烟气入口与塔体连接处，这主要是由于该部位存在较大的应力集中。塔型1塔型2塔型3塔型45塔型5对5种塔型分析后，需要说明的是，经过计算得到的应力一般不会超过材料的许用应力，因为喷淋塔的径向和轴向尺寸比较大，在控制变形量和保持稳定性的前提下，强度已经自然保证了，不会发生材料的屈服问题。1.4稳定性分析从分析过程及实际情况来看，局部失稳是喷淋塔最有可能发生的破坏形式。失稳现象的发生是由于薄壁塔体受到轴向的压力，当塔壁内的轴向应力还未达到材料的屈服极限时，便突然发生坍塌和褶皱，正如压杆的轴向弯曲一样。此时，塔壁内单纯的压应力产生弯曲应力，使塔体失去了稳定性。由于失稳是压应力过大引起的，而内压是轴向和周向均产生拉应力，故在稳定性计算中，不计内压影响。在浆液压力作用下，塔体下部会产生弯曲变形，降低塔体轴向稳定性。因此对结构的自重、风荷载、地震荷载单独作用下时进行屈曲分析时，将浆液静压力作为不变的载荷施加在结构上。导致失稳发生的轴向应力主要由重量荷载和弯矩（风载和地震荷载引起）产生，最可能发生失稳的部位是塔体底部烟气入口附近的应力集中处。这是由于壳体开矩形孔后，壳体强度和刚度受到很大削弱。此处还存在着烟气入口与塔体的变形协调问题，这使得该区域变形及失稳模态非常复杂。因此，设计时应对方孔上下及两侧位置进行加强，甚至在开孔位置增加支撑立柱，用以提高在该部位的刚度和抗失稳能力。对于塔体而言，增加中间挡风圈、增加加强筋的尺寸或增加加强筋的数量会有助于提高塔体结构的抗失稳能力。有关轴向稳定性的计算公式很多，可以参考普通圆形壳体的经验公式。1.5变形量分析5种塔型变形量云图如下图所示。6塔型1塔型2塔型3塔型4塔型5从分析结果看，5种塔型主要发生在烟气出口、入口等部位。合理的设置加强筋，可以较好的解决变形量过大问题。塔体变形量过大会带来两种危害；一是塔体与塔体连接的结构件之间产生过大的应力，造成局部破坏；二是塔体钢壳发生变形时，其内部的防腐衬里也要与之协调的变形，过大的塔壁变形会造成衬层龟裂，引起防腐失效。塔体进、出口均用型钢进行了加强。为保证塔顶的总位移不超过规范要求，在薄弱处还加了竖筋。但从位移云图来看，大开孔对塔体抗弯矩能力的削弱使很大的，即使进行了加强，开孔区的局部应力和变形仍是整个塔结构中最大的。1.6结果分析喷淋塔在烟气入口处存在着最大应力，此外塔底部也有较大的应力。喷淋塔在烟气出口、入口存在最大变形，需要合理的配置加强筋。根据5种主流喷淋塔实际工作情况，建立了结构单元模型，同时对其施加荷载、求解，在通过后处理，得到了其有限元力学分析结果。在各种工况荷载组合作用下，5种主流喷淋7塔的节点应力值都在允许的范围内，同时其受力变形及理论分析与实际情况也是相吻合的。所以，该有限元模型的建立和力学分析是客观可靠的，较为真实的反映了主流喷淋塔的受力、变形情况，也为该设备的进一步设计提供了良好的依据。2结论通过对5种主流喷淋塔的分析结果，对于该种非标大型薄壁设备，我们可以进行三维建模，提出多种方案，用有限元程序进行分析，找出其薄弱环节，并对其薄弱环节进行加固优化设计，并应用有限元程序进行模拟，找到最优的方案。达到用最少的材料来最大限度的提高其性能，即又节省材料又提高性能的目的。参考文献[1]中华人民共和国行业标准GB50017－2003，钢结构设计规范中华人民共和国建设部／国家质量监督检验检疫总局发行，2003[2]中华人民共和国行业标准GB50009－2001，建筑结构荷载规范中华人民共和国建设部／国家质量监督检验检疫总局发行，2001[3]中华人民共和国行业标准GB50011－2001，建筑抗震设计规范中华人民共和国建设部／国家质量监督检验检疫总局发行，2001[4]Ansys基本过程手册.Ansys中国，2000