高爐粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及有限元應(yīng)用軟件

周利清

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223)

粗煤氣系統(tǒng)是高爐煉鐵工藝中不可或缺的重要系統(tǒng)，主要由粗煤氣管道(含導(dǎo)出管、上升管、下降管)和除塵器及除塵器支架組成。其與后續(xù)除塵設(shè)施將爐頂引出的含塵很高的荒煤氣凈化成合乎要求的氣體燃料。粗煤氣管道布置及形式主要由煉鐵工藝決定，當(dāng)前通常采用“三通管”及“五通球”兩種形式，見圖1，圖2。

圖1 三通管型粗煤氣系統(tǒng)

圖2 五通球型粗煤氣系統(tǒng)

1 粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

粗煤氣系統(tǒng)由除塵器支架、除塵器殼體及粗煤氣管道共同構(gòu)成，通常除塵器支架采用混凝土框架或鋼框架結(jié)構(gòu)，而除塵器本身是具有一定壓力的殼體結(jié)構(gòu)，粗煤氣管道為空間管系結(jié)構(gòu)。因此粗煤氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算不同于一般梁、板、柱結(jié)構(gòu)，可用常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件給予模擬;除自重、內(nèi)襯及平臺(tái)荷載外，尚需考慮風(fēng)荷載、地震作用、溫度以及粗煤氣內(nèi)壓，工況眾多，受力復(fù)雜;粗煤氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算一直是高爐系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)。

2 粗煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的主要問題

高爐粗煤氣管道生產(chǎn)使用過程中出現(xiàn)的問題主要集中在上升管和下降管匯合處管皮開裂和焊縫開裂及下降管變形過大。由于粗煤氣系統(tǒng)從導(dǎo)出管、上升管、下降管到除塵器之間構(gòu)成了大跨度、大空間的空間管系結(jié)構(gòu)，且其抗側(cè)剛度相對(duì)較弱，在自重、積灰、風(fēng)載及溫度等作用下，粗煤氣管道頂部變位及下降管撓度都會(huì)比較大。而過大的撓度或變位將影響粗煤氣系統(tǒng)的正常使用，如管道內(nèi)襯剝落、爐頂煤氣放散閥出現(xiàn)卡殼無法打開閥門等。因此，在粗煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該嚴(yán)格限制下降管的撓度及粗煤氣上升管頂部節(jié)點(diǎn)處的變位。

3 當(dāng)前設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來粗煤氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直停留在以經(jīng)驗(yàn)為主、計(jì)算為輔的低層次階段，許多設(shè)計(jì)更是服從于“過去的現(xiàn)實(shí)”。早前采用簡(jiǎn)化力學(xué)模型近似模擬上升管、下降管及除塵器，或者采用經(jīng)驗(yàn)公式法，確定粗煤氣管壁及重力除塵器壁厚，計(jì)算手段簡(jiǎn)單，無法準(zhǔn)確考慮溫度、內(nèi)壓等復(fù)雜工況。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，開始采用SAP2000有限元軟件三維建模，見圖3，用線單元模擬粗煤氣管道及重力除塵器，較早前有較大進(jìn)步，但仍有不足之處，主要存在以下幾個(gè)問題:

1)無法真實(shí)反映重力除塵器實(shí)際工作情況;2)無法準(zhǔn)確模擬下降管與除塵器之間的連接;3)無法考慮內(nèi)壓，無法得出關(guān)鍵部位應(yīng)力變形;4)無法考慮除塵器支架、除塵器殼體與粗煤氣管道三者的協(xié)調(diào)受力。由于采用SAP2000程序受線單元的局限，無法從真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)粗煤氣系統(tǒng)的精確數(shù)值仿真分析。也就無法全面反映粗煤氣系統(tǒng)尤其是結(jié)構(gòu)變化處內(nèi)力與變形情況，使得設(shè)計(jì)存在一定的安全隱患。

4 粗煤氣系統(tǒng)有限元分析及軟件包開發(fā)

鑒于當(dāng)前粗煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在以上種種問題，針對(duì)粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力狀況，本文將運(yùn)用現(xiàn)代力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用殼單元對(duì)粗煤氣系統(tǒng)進(jìn)行空間力學(xué)分析及研究，并在此基礎(chǔ)上基于ANSYS平臺(tái)，開發(fā)粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，精確模擬粗煤氣系統(tǒng)各個(gè)部分之間相互作用，計(jì)算其應(yīng)力與變形。對(duì)粗煤氣系統(tǒng)中的重力除塵器及粗煤氣管道采用殼單元模擬，解決了傳統(tǒng)的用桿系模型帶來的剛度和變形誤差，以及計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)在相互幾何關(guān)系及受力狀態(tài)最大程度的吻合，較傳統(tǒng)的計(jì)算手段有很大進(jìn)步與提高。

4.1 開發(fā)軟件及單元介紹

ANSYS是目前工程界應(yīng)用最廣的一款有限元分析軟件，采用ANSYS對(duì)粗煤氣系統(tǒng)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)有限元分析是可行的。但要利用ANSYS對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行分析計(jì)算則必須要求操作人員對(duì)ANSYS模塊較熟悉，而且對(duì)力學(xué)及有限元理論知識(shí)有較深的理解。而對(duì)普通設(shè)計(jì)人員，直接利用ANSYS軟件分析有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。為方便設(shè)計(jì)人員掌握用有限元手段對(duì)粗煤氣系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，開發(fā)基于ANSYS平臺(tái)的粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析軟件，不僅能大大提高當(dāng)前粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算水平，也能顯著提高設(shè)計(jì)人員工作效率。

在對(duì)本公司多年來積累的粗煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與成果進(jìn)行收集分類、整理基礎(chǔ)上，總結(jié)出粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)以及荷載狀況，在ANSYS平臺(tái)上編制出粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，本軟件是基于ANSYS先進(jìn)的APDL的參數(shù)化模型開發(fā)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)而形成的分析軟件。該軟件包含了設(shè)計(jì)人員必須涉及到的輸入輸出信息，目的是使工程設(shè)計(jì)人員在軟件界面中僅需前期設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入，軟件即在后臺(tái)生成命令流文件并自動(dòng)導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解計(jì)算，最終自動(dòng)完成粗煤氣系統(tǒng)的全部計(jì)算以及后處理，大大提高了設(shè)計(jì)的可靠性和效率。

粗煤氣管道及重力除塵器殼體采用Shell63平面殼單元模擬，除塵器支架梁柱采用Beam188線單元模擬，其精度滿足分析要求，整體三維模型見圖4。

圖3 SAP2000整體計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

圖4 ANSYS結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

4.2 應(yīng)力強(qiáng)度限值條件

壓力容器在外荷載作用下，滿足了靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件后，根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因、導(dǎo)出應(yīng)力的方法、應(yīng)力存在的區(qū)域及應(yīng)力的性質(zhì)，將各處應(yīng)力劃分為三類:一次應(yīng)力(p)，二次應(yīng)力(q)，峰值應(yīng)力(f)。根據(jù)應(yīng)力分類對(duì)不同類型的應(yīng)力采用不同的應(yīng)力強(qiáng)度限值。程序以最大剪應(yīng)力作為強(qiáng)度準(zhǔn)則，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)荷載，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度采用許用應(yīng)力。粗煤氣管道及重力除塵器殼體連續(xù)部位的應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)嚴(yán)格控制在許用應(yīng)力［σ］之內(nèi);對(duì)于除塵器筒體與圓錐段相交部位，存在由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的彎曲應(yīng)力，其限值可放寬到1.5［σ］;而對(duì)上升管下降管連接處及下降管與重力除塵器連接處，應(yīng)控制其應(yīng)力在3［σ］范圍以內(nèi)。

4.3 荷載及邊界條件

粗煤氣系統(tǒng)荷載主要有:結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重，內(nèi)襯，積灰荷載，內(nèi)壓，溫度，風(fēng)荷載，地震作用及其他檢修荷載。內(nèi)襯可通過增大密度的方法，用折算密度取代鋼材密度，較以節(jié)點(diǎn)荷載的方式不僅減少了荷載工況，也能較為真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的周期。上升管支座由于爐身框架主平臺(tái)變形引起的內(nèi)力暫不考慮，事實(shí)上由此產(chǎn)生的應(yīng)力較小，不影響計(jì)算結(jié)果的精度要求。

邊界條件:上升管與爐頂主平臺(tái)梁連接按鉸接考慮，重力除塵器框架柱按剛接考慮，重力除塵器殼體與重力除塵器支架采用共用節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接。

4.4 后處理

對(duì)于一個(gè)基于ANSYS平臺(tái)開發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用軟件，僅僅滿足于計(jì)算精度與速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，尤其對(duì)于一般工程設(shè)計(jì)人員，其后處理強(qiáng)大與否直接關(guān)系到軟件的推廣與應(yīng)用。本軟件采用ANSYS的APDL參數(shù)化語言，通過編寫命令流方式提取模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)果分為文本與圖片兩種形式。其中文本結(jié)果包括模型的幾何信息、截面信息、荷載參數(shù)、工程量以及各單工況及控制組合工況下粗煤氣系統(tǒng)關(guān)鍵位置的最大應(yīng)力與變形，例如下降管與除塵器相接處最大應(yīng)力與變形、下降管跨中應(yīng)力與撓度、上升管交匯處應(yīng)力、上升管頂部最大水平位移、上升管支座反力和除塵器支架柱底內(nèi)力等。圖片結(jié)果主要包括結(jié)構(gòu)各階振型、各單工況及控制組合工況下粗煤氣系統(tǒng)整體應(yīng)力變形云圖及關(guān)鍵位置的應(yīng)力與變形云圖。工程設(shè)計(jì)人員可結(jié)合文本結(jié)果及圖片結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)是否安全經(jīng)濟(jì)，滿足規(guī)范要求。圖5～圖9即為某工程應(yīng)用本軟件包自動(dòng)生成的粗煤氣系統(tǒng)在恒載作用下部分應(yīng)力云圖。

4.5 軟件特點(diǎn)

本軟件基于ANSYS平臺(tái)，最重要特點(diǎn)是僅需在軟件界面中輸入各個(gè)參數(shù)，生成命令流，即可完成粗煤氣系統(tǒng)全部?jī)?nèi)力變形計(jì)算。后期利用ANSYS強(qiáng)大的后處理能力，自動(dòng)得出工程設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的應(yīng)力變形結(jié)果，結(jié)合規(guī)范及相關(guān)強(qiáng)度理論知識(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析判斷以滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果可靠性高，圖文并茂，一般工程設(shè)計(jì)人員很容易就能方便掌握。實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員通過不斷調(diào)整參數(shù)，即可進(jìn)行多次分析，不僅提高設(shè)計(jì)效率，也為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障。

圖5 粗煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力

圖6 三通管處應(yīng)力

圖7 下降管與上升管相接處應(yīng)力

圖8 下降管與重力除塵器連接處應(yīng)力

圖9 下降管與重力除塵器連接處應(yīng)力

5 結(jié)語

粗煤氣系統(tǒng)中重力除塵器和粗煤氣管道為受力狀況極為復(fù)雜的空間薄殼結(jié)構(gòu)，完善的有限元理論和成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)此類問題進(jìn)行較為精確的數(shù)值仿真分析成為了可能。采用有限元?dú)卧夹g(shù)分析較以往簡(jiǎn)單的線單元模擬有了很大進(jìn)步。通過編制粗煤氣系統(tǒng)有限元分析軟件來分析設(shè)計(jì)是又進(jìn)一步。通過這些先進(jìn)的技術(shù)手段，使我們對(duì)粗煤氣系統(tǒng)的應(yīng)力與變形有了更全面、深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)粗煤氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也更有把握。不僅能避免粗煤氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各種問題，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，真正做到“該厚的地方厚，該薄的地方薄”，還可以提高設(shè)計(jì)效率。工業(yè)建筑中，具有相同功能的構(gòu)筑物其有限元模型參數(shù)通常也較為固定，可借鑒本文思路進(jìn)行各類復(fù)雜構(gòu)筑物的力學(xué)分析及開發(fā)其通用有限元分析軟件，從而提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

［1］ GB 50567-2010，煉鐵工藝爐殼體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］ 張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］ 孔垂?fàn)T，劉京安.高爐爐頂粗煤氣管道研究現(xiàn)狀［J］.煉鐵，2008(1):41-43.

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