脱硫石灰石仓钢锥斗设计方法探讨

杨秀杰

(大唐环境产业集团股份有限公司， 北京 100097)

脱硫石灰石仓钢锥斗设计方法探讨

杨秀杰

(大唐环境产业集团股份有限公司， 北京 100097)

介绍了脱硫石灰石仓钢锥斗的有限元分析计算设计方法。该方法方便适用，可实现优化设计。并介绍了该技术在实际工程项目中的应用情况。

钢锥斗；石灰石仓；有限元分析

0 引言

石灰石料仓是湿法脱硫(WFGD)工艺储存吸收剂的重要设备，脱硫系统运行时对石灰石的消化量较大，因此石灰石料仓容量较大，其结构设计的安全性和经济性十分重要。从经济合理性上考虑，石灰石料仓上部结构通常为混凝土结构，下部为钢料斗，挂在混凝土梁上。为了结构设计和施工方便，常布置成1～2跨柱距内的矩形结构，可采用一个或多个钢锥斗出料口。钢锥斗上口为较大的矩形，下口为出料口，通常也做成矩形，尺寸很小，形成倒置的四棱锥台结构。由于锥斗各侧板受力较大，且为板、梁组合受力情况，受力情况较复杂。由于没有明确的应力和变形计算公式，以及缺乏现成的设计规范可循，只有《钢筋混凝土筒仓设计规范》以及《固体料仓》等作为参考与借鉴，因此，设计难度较大。随着数值计算技术的发展，目前有限元分析技术成为最有效的分析设计工具。可以利用有限元分析技术对石灰石仓钢锥斗结构进行分析设计，提高结构设计的安全性和经济性。

1 有限元法及分析软件

有限元法即有限单元法，是将连续的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知函数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。

30多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。

在工程技术领域使用的有限元分析软件较多，针对本文所研究的钢锥斗结构，可采用ANSYS软件进行分析。该软件针对钢锥斗板壳结构可实现方便的分析计算。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于各种工业领域及科学研究中。该软件在电力环保行业中也得到了广泛的应用。本文将使用ANSYS软件针对某工程中的石灰石仓钢锥斗结构进行分析设计。

2 钢锥斗有限元分析

2.1 荷载分析

石灰石仓钢锥斗所受的荷载主要是石灰石散料压力产生的荷载，分别为垂直于斗壁方向的正压力和石灰石流动时产生的沿着斗壁向下的切向力。

松散物料对仓壁的作用计算方法有詹森(Janssen)方法和赖姆伯特(Reimebert)方法。最新的料仓标准NB/T 47003.2—2009《固体料仓》采用了以赖姆伯特(Reimebert)理论为基础的计算方法，而GB50077—2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》采用詹森(Janssen)创立的料仓压力理论为基础的计算方法，两种方法在计算上有差异，但计算结果的差异不大；相比较而言詹森(Janssen)方法计算更简便。因此本分析报告中对料仓物料压力计算采用GB50077—2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》中的计算方法。

詹森(Janssen)方法在料仓压力理论中主要依据了以下几种简化假设：

(1)垂直载荷平均分布在水平横截面上；

(2)物料堆积密度在任意高度处是相同的；

(3)侧压系数(比值k)在任意高度处是常数；

(4)仓壳的摩擦系数在任意高度处是常数。

松散物料的垂直压力Pv为：

当按上式计算Pv值大于γhn时应取γhn值。

松散物料引起的水平压力Ph为：

漏斗壁切向力按下式计算：

Pt=CvPv(1-k)sinαcosα

漏斗壁法向压力按下式计算：

Pn=Pv(cos2α+ksin2α)

以上各算式中的符号说明参见GB50077—2003《钢筋混凝土筒仓设计规范》。

钢锥斗的四面侧壁板的倾斜角度可能不同，各侧壁的荷载数据须分别计算。

2.2 结构分析与单元选择

由于上部混凝土方仓储料较深，在钢锥斗侧壁有较大压力存在，设计必须考虑锥斗壁钢板和加固肋共同受力，故可采用板壳及梁加固结构，通过应力计算选择合适的钢板厚度和加固肋截面。

该钢锥斗采用板壳及梁加固结构，属于大型带肋薄壳结构，因此分析中拟采用梁、壳单元结合的有限元分析方法进行计算。选用壳单元SHELL181模拟钢锥斗壁板，梁单元BEAM188模拟加固肋。

SHELL181单元是三维壳单元，适用于薄壳和中厚壳结构的分析。该单元具有4个节点，每个节点具有6个自由度，即沿着X、Y、Z方向的平动和绕着X、Y、Z轴的转动。

BEAM188适合作细长的或适当短粗一些的梁结构，这种单元基于Timoshenko梁理论，并包含了剪切变形的影响。BEAM188单元有两个节点，但它是立体的，可以通过定义截面形状来定义它的各个尺寸，可模拟的各种截面形状。

2.3 有限元模型

该项目石灰石仓结构由上部混凝土方仓和下部钢锥斗2部分组成，上部混凝土方仓尺寸为8.3 m×8 m×9 m(长×宽×高)，下部钢锥斗上口尺寸为7.8 m×7.6 m(长×宽)，下口尺寸为0.5 m×0.5 m(长×宽)，锥斗总高度为6.1 m，上下口中心偏心距为0.6 m。

由于设计温度不高，锥斗钢板及加固肋型钢采用Q235B钢材。加固肋可采用角钢、T型钢、槽钢等多种截面形状。

根据几何参数、材料参数在ANSYS软件中建立的钢锥斗模型如图1所示。

图1 钢锥斗三维模型

2.4 载荷施加和约束条件

(1)钢锥斗及加固肋自重

本钢锥斗及加固肋材料Q235B密度为7 850 kg/m3。在ANSYS软件模型中施加z方向重力加速度9.81 m/s2即可，软件可根据材料体积自动计算材料质量。

(2)钢锥斗物料压力荷载

本钢锥斗盛装物料为石灰石，堆积密度为14 kN/m3，内摩擦角为35°，对钢板摩擦系数为0.3。按2.1节计算方法计算出锥斗各个侧壁的物料压力后对模型施加物料正压力和切向压力荷载。施加方法可采用ANSYS软件中的表面效应单元surf154加载，该方法简便适用。

(3)约束条件

该钢锥斗通过上部壁板及加强板焊接固定在混泥土梁的埋件上，假设混泥土梁为刚性，因此钢锥斗顶部施加全约束。

3 分析结果校核

3.1 校核方法

参照NB/T 47003.2—2009《固体料仓》标准，钢锥斗的强度判据如下：

σ≤[σ]t

式中σ—结构中的等效应力； [σ]t—材料在设计温度下的许用应力。

(1)材料本身的许用应力[σ]t

按NB/T 47003.2—2009《固体料仓》5.2.1节表5，查得本钢制料仓材料Q235B本身在常温下许用应力为140 MPa。

(2)壳体钢板焊缝的许用应力

壳体焊缝采用全焊透结构，做局部无损检测，按NB/T 47003.2—2009《固体料仓》4.7.2节焊缝系数取φ=0.85。

因此，壳体焊缝结构的许用应力为：φ[σ]t。

本钢锥斗钢材的设计许用应力为0.85×140=119 MPa。

3.2 结果校核

通过加载分析，可以得到该钢锥斗的应力分布结果，通过优化布置加固肋截面、位置及间距，最终确定了该钢锥斗钢板厚度及加固肋的布置形式。最终设计方案的分析结果见图2、图3所示。图2为钢锥斗壁板应力分布云图，图3为钢锥斗总体应力分布云图。

图2 钢锥斗壁板应力分布云图

图3 钢锥斗应力分布云图

从分析结果可以看出，钢锥斗壁板最大等效应力为112.974 MPa，总体应力云图中加固肋最大应力为116.249 MPa，均小于许用应力119 MPa，因此设计校核合格。

4 结论

本文结合某电厂脱硫工程中的石灰石仓钢锥斗实例，阐述应用有限元软件ANSYS 进行分析的过程和方法。通过分析得出如下结论：

(1)有限元分析设计方法对钢锥斗进行应力计算是可行的，解决了受力复杂的结构计算难题。

(2)通过对钢锥斗的结构方案进行试算，找出了钢锥斗最大应力与最大变形出现的部位，然后对钢锥斗结构布置进行有针对性的调整，完成了优化设计的最佳结构方案，为施工详图设计提供依据。

(3)计算出钢锥斗与上部结构连接处约束的反力值，为石灰石仓上部支撑框架梁的结构设计提供准确的荷载数据。

[1] 黎大胜，沈鸿彪.双出口新型煤斗设计探讨[J].电力勘测设计，2013，8(4)：47-50.

[2] GB 50077—2003，钢筋混凝土筒仓设计规范[S]，2003.

[3] NB/T47003.2—2009，固体料仓[S]，2009.

[4] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，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

杨秀杰(1982-)，男，满族，河北承德人，工程师，硕士研究生，主要从事电力环保、化工等行业非标设备设计工作。

X701

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1003-8884(2015)05-0014-03