【技術匯】帶煙囪的高塔型脫硫吸收塔有限元分析

北極星大氣網訊:摘要：脫硫吸收塔是工業廢氣脫硫系統的主要設備，具有直徑大、高度高、厚度小和大開孔率等特點。用MIDAS有限元軟體作為結構分析工具，並結合相關理論，分析了帶煙囪的高塔型煙氣脫硫吸收塔塔體以及主要構件在各種荷載作用下的強度、變形以及穩定性，最後討論了吸收塔設計構造等。

關鍵詞：吸收塔；有限元；強度；變形；穩定性

引言

煙氣脫硫是降低煤燃燒所產生的主要汙染物二氧化硫的重要措施。吸收塔是脫硫工藝中的主要結構，屬於大型薄壁殼體鋼結構，設備受到自重、漿液、風、地震及操作壓力等荷載的影響，同時塔體的大開孔削弱了塔體強度，塔頂還自帶高煙囪，使得塔體受力十分複雜，難以用經典解析方法弄清楚塔體的受力情況。文中以某自帶煙囪的高塔型脫硫吸收塔為研究對象，用MIDAS有限元軟體對吸收塔進行建模計算，分析出吸收塔在各工況下的強度及變形，並通過線性屈曲分析的方法分析了吸收塔結構的穩定性。

1 工程概況

本工程廠址區50年超越概率10%的地震峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為6度，場地土類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B類，50年一遇基本風壓為0.4k/m2。吸收塔塔體、煙道煙囪及塔體加強筋的材料均為Q235B，材料屈服應力為235MPa，許用應力為113MPa。

2 吸收塔的有限元模型

2.1設計參數

吸收塔塔頂標高60m，塔體直徑為6.3m，塔壁厚度沿高度分段變化，從下到上依次為18、14、12、8mm。塔內件主要有2層整流層、3層噴淋裝置、3層除霧器。單層整流層重量為3t；單層噴淋層本體重量為4.2t，漿液重量為4.2t；單層除霧器重量12t。煙氣入口尺寸為：寬4.6m，高2.56m，頂部煙囪直徑為3m，吸收塔內部正壓為5000Pa。吸收塔具體結構布置如圖1所示。

圖1塔內件荷載施加示意圖

2.2結構建模

採用MIDAS GEN有限元軟體，用梁單元模擬吸收塔加強筋，用板單元模擬吸收塔塔體及進口煙道進行建模。塔體沿高度方向均勻布置加強環筋，進出口煙道與塔體連接處均為大開口矩形孔，開孔部位較為薄弱，兩側用型鋼進行加強；塔體和煙囪連接段為變截面，較為薄弱，用型鋼進行加強。塔體底部受密度為1120kg/m3的石灰漿液靜壓力作用，石灰漿的液面高度為9.6m。

2.3荷載施加及邊界條件

吸收塔主要承受自重、內壓、風荷載、地震荷載、漿液荷載以及塔內件荷載作用。有限元模型中荷載的施加方式如下：

自重：施加重力加速度g。

吸收塔下部漿液荷載：Pg=ρgh，按流體壓力荷載施加在塔內壁上。

塔內件荷載：將塔內件荷載轉化為節點垂直荷載施加到塔壁上（見圖1）。

內壓：按壓力面荷載施加到塔內壁上。

地震荷載：按反應譜分析數據輸入，地震作用角度按0°、90°兩個方向施加，地震設防烈度為6度，場地類別Ⅱ類，阻尼比為0.05。

風荷載：選取迎風面為矩形孔正面一側，按壓力荷載施加。風壓為：

其中，高度係數μz和風振係數的取值方法為：將吸收塔沿高度方向均勻分層計算，從而得出不同高度的風壓值。

約束條件：塔底採用了36個地腳螺栓與基礎相連接，可視為固接。

3 計算結果分析

3.1強度分析

分7種工況對脫硫塔進行強度分析：

（1）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、內壓；

（2）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、風壓；

（3）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、地震；

（4）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、地震、0.5倍風壓；

（5）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、內壓、風壓；

（6）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、內壓、地震；

（7）塔自重（含塔內件）、漿液荷載、內壓、地震、0.5倍風壓。

經有限元分析計算發現，由於漿液荷載的作用，塔體底部有較大的應力強度；由於開孔處應力集中的影響，進口煙道矩形孔與塔壁連接處也有較大的應力強度。各工況下塔體下部及矩形開孔處最大強度應力值如表1所示。

表1各工況下強度應力最大值（MPa）

可見，工況5為最不利組合，在工況5作用下，塔體底部最大應力為77MPa，進口煙道矩形孔與塔體連接處最大應力為121MPa，應力集中部位最大應力的校核條件按Smax<1.5[σ]考慮，對於工況5，Smax=121<1.5×113=170MPa，滿足強度要求。

3.2變形分析

同樣分7種工況進行變形分析。從分析結果得知，在工況5作用下，煙囪頂部存在最大變形，而其餘無風荷載組合的工況下，煙囪頂部變形相對小很多。可見，風荷載在高塔型吸收塔結構的變形中起主控作用。塔頂煙囪水平位移量的控制，可參照《高聳結構設計規範》中相關規定，並結合實際，位移量控制在H/150即可。而從分析結果得知，煙囪頂部最大位移為144mm＜60000mm/150=400mm，滿足設計要求。

3.3穩定性分析

3.3.1基本方法

穩定性分析分為屈曲分析和非屈曲分析2種，對吸收塔結構進行非線性屈曲分析過於複雜，意義不大，因此文中採用MIDAS有限元軟體對吸收塔進行線性屈曲分析，考慮塔體自重（含塔內件），漿液荷載，風載和地震載的組合。

3.3.2計算結果及分析

由屈曲分析結果可知，第1模態臨界荷載係數為20.1，發生失穩處為進口煙道底部與塔壁連接處，第2模態到第6模態臨界荷載係數範圍為22.1~25.5，發生失穩處均為煙道開孔部位附近。對屈曲分析結果進行分析，可知：

（1）吸收塔結構在相應荷載組合作用下不會發生整體失穩，僅會發生局部失穩。

（2）第1模態臨界荷載係數為20.1,安全裕量較大。

（3）局部失穩位置也主要在煙道開孔部位附近，說明煙道開孔部位是整個吸收塔結構最為薄弱的地方。

（4）吸收塔穩定安全係數的取值可借用圓筒外壓穩定性計算時的穩定安全係數，取其為3.0。而線性屈曲分析得出安全係數值為20.1，遠大於3，故滿足穩定性要求。

4 結語

（1）對於吸收塔這類的薄壁圓筒結構，採用有限元法進行強度及穩定的分析是一種行之有效的方法。

（2）通過強度應力及穩定分析結果可知，塔體的開孔打斷了塔體自身的連續性，大大地削弱了塔身的剛度和局部穩定性。

（3）對於帶煙囪的高塔型吸收塔，風荷載作用下頂部煙囪會產生較大位移，設計時注意把位移值設計在要求範圍之內。

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