特种钢结构有限元分析——脱硫塔结构托架部分静力分析

陈庭芳

1 引言

20世纪70年代初，欧美等发达国家率先实施SO2控制排放战略以来，其他国家和地区也制定了相关的排放规定。我国经济发展起步晚，对于能源的利用率也较低，同时产生的废气处理也进行的比较缓慢，随着国民经济的发展，人们对环境问题越来越重视，因此，我国出台了相关的环保制度，对有害气体的排放量做了限制。对于火力发电产生的有害气体主要为SO2，根据环保要求，火力发电产对所产生的废气必须进行脱硫工作，以保证排出的气体中所含SO2符合规定。目前国内使用较多的方法为湿法烟气脱硫。脱硫塔是我国火力发电厂进行脱硫工作的主要装置，多为特种筒体薄壁钢结构，整个体系结构的形式复杂。在对该类结构进行的设计时，由于没有相关系统可靠的规范作为依据，只能凭靠以往的工程经验指导，对于分析结果的准确性很难把握。整体建模费时费力，采用分块建模的方式，由于选取的荷载较保守，使模型的分析结果有时不能完全符合实际，为保证工程的安全性，通常都在选取构件的材料和截面尺寸时，比较盲目，浪费材料。所以，脱硫塔的托架部分是否可以分块建模就成为本文研究的核心内容。如果该部分在整体建模与分块建模后的分析结果相差不大，那么，为了减少工作量，我们就可以进行局部建模[3]。托架结构在脱硫塔结构中主要为传力构件，其结构构件由桁架杆组成，只承受拉或压荷载，该结构位于烟箱出口处下端，最下部位于环梁处，整个结构与内筒壁相连。托架底位于标高27m处，高度为10.6m。

2 托架结构模型建立

2.1 模型基本单元的选取

本文采用MIDAS中的桁架杆单元模拟烟道托架。桁架单元属于只能承受轴向荷载的杆件结构。因此它有两个自由度。

2.2 建立模型

脱硫塔结构由塔体（内筒和外筒）、支承托架、文丘里、出口烟箱、支承环梁、烟箱等组成。托架主要用于支撑出口烟箱并将其荷载传递下去。因此，托架结构在脱硫塔结构中主要为传力构件，其结构构件由桁架杆组成，只承受拉或压荷载，该结构位于烟箱出口处下端，最下部位于环梁处，整个结构与内筒壁相连。托架底位于标高27m处，高度为10.6m，如图1所示。

（1）托架荷载情况：承受烟箱传来的荷载，包括烟箱的自重和出口烟箱内的积灰荷载。荷载采用满载情况下，即积灰高度为2m的时候。因此，选用等效集中力施加在桁架结构的顶端，荷载由边向内依次为：500kN、300kN、100kN，两边是对称布置。

（2）约束情况：在对该模型进行约束时，将构件与内筒壁连接处视为固定约束。

（3）材料及截面特性：托架采用Q345钢，采用三种圆钢φ89×8、φ121×8、φ203×12。

3 托架计算结果分析

3.1 托架结构应力比较

应力比较时，选取具有代表性的单元进行比较，即应力最大和最小的单元，应力处于中间的单元，单元号依次为：59，130，151，155，180，取对应的应力值进行比较，如图2所示。

图1 托架结构荷载、约束、节点图（kN）

图2 托架结构应力比较图

3.2 托架结构轴力比较

结构由上向下选取单元号为 116，113，109，123，54，130 的单元轴力进行比较如图3所示。

3.3 托架结构位移变形比较

选取最边上的竖向直接承受荷载的竖向支撑上的节点，依次由上向下，即节点号为95，2，16，29，42，55节点的位移和应力变形比较如图4所示。

4 结语

通过采用软件分析比较，托架结构由于只承受拉压荷载，因此只产生轴向变形，由以上分析可知：

图3 托架结构轴力比较图

图4 托架结构位移变形比较图

（1）局部与整体协同作用情况下，结构的位移变化最大相差2mm，相当于变化是一致的，而应力相差最大不超过10MPa。

（2）轴力相差较大，局部分析时的数据比整体协同作用时的分析数据大48MPa，说明局部分析时偏于安全，但是浪费材料，经济花费较大。

（3）在应力图中发现，应力较大的杆件为位于结构下端的斜向支撑杆件，结构在设计过程中，应该对这部分的构件在截面选择上选较大些的，以满足承载能力。

（4）位移变形较大的是位于结构两端的竖向杆件，这是因为这两端的杆件承受的轴向力较大，所以对这部分的杆件也应适当加强。

[1]孙克勤，沈涛，于爱华，等.CAE技术在烟气脱硫装置复杂结构设计中的应用[J].电力环境保护，2004，20（1）：26～29.

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[3]许谋奎，马人乐.镇江电厂脱硫吸收塔有限元计算分析[J].特种结2005，22（2）：23～25.