溫度荷載對(duì)鋼煙囪的影響分析

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009)

為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需要，煙囪的高度愈來愈高、直徑愈來愈大，常用的磚煙囪和鋼筋混凝土煙囪已不能完全滿足生產(chǎn)工藝的要求。而鋼制煙囪強(qiáng)度高、抗震能力好，適合設(shè)計(jì)成大直徑的高聳煙囪，目前已在大型廠礦中得到較廣泛的應(yīng)用。雖然我國已有現(xiàn)行煙囪的設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，但沒有溫度對(duì)鋼煙囪影響的相關(guān)條文。

很多學(xué)者對(duì)鋼煙囪的受力進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2-3]指出，鋼煙囪在各種荷載組合工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在煙道口筒壁，煙道孔對(duì)鋼煙囪受力和變形有較大影響，開孔引起應(yīng)力集中，使風(fēng)載和自重作用下的最大應(yīng)力增加了近2倍，溫度應(yīng)力增加80%，開孔使煙囪的基頻減小10%，地震應(yīng)力響應(yīng)增加了至少2倍。文獻(xiàn)[4]提出，設(shè)置破風(fēng)圈可減小煙囪頂部的振幅，避免煙囪產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并闡述了煙囪垂直于風(fēng)向的橫向風(fēng)振計(jì)算。文獻(xiàn)[5]提出，對(duì)于四管塔架式鋼煙囪，考慮塔架與排煙筒協(xié)同受力更加合理，能充分發(fā)揮排煙筒的剛度來抵抗風(fēng)荷載。文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)歸納了大直徑鋼管煙囪的有限元分析和穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論。文獻(xiàn)[7-13]提出了高聳結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的Adomian分解法，并對(duì)自立式鋼煙囪的橫風(fēng)向風(fēng)振和渦振問題進(jìn)行了研究，指出煙囪殼體對(duì)于缺陷敏感性較強(qiáng)，渦振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)其固有頻率的控制，并提出了解決鋼煙囪大幅晃動(dòng)的措施。文獻(xiàn)[14-15]對(duì)鋼煙囪筒壁局部穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算研究，提出沿高度采用變截面和變板厚的形式，合理設(shè)置縱、橫加勁肋是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。以上文獻(xiàn)均未就溫度荷載對(duì)鋼煙囪的影響進(jìn)行研究，實(shí)際上，煙囪內(nèi)氣流溫度高達(dá)1 000 ℃，雖然設(shè)置有隔熱層或隔熱材料以降低鋼煙囪的溫度，但筒壁上的溫度仍然超過100 ℃。即使不考慮因溫度而引起的材料性質(zhì)的變化，也應(yīng)考慮溫度對(duì)煙囪的受力和變形的影響。文中以高50 m、直徑4.402 m的實(shí)際應(yīng)用鋼煙囪為例，利用ANSYS有限元分析軟件研究溫度載荷對(duì)鋼煙囪的影響，以期為煙囪設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼煙囪概況

該鋼煙囪由內(nèi)外2層組成，內(nèi)層為耐火磚的隔熱層，外層為Q235鋼壁筒，兩者之間留有20 mm的孔間隙。鋼煙囪總高50 m，底部直徑4.402 m，頂部直徑3.812 m。沿?zé)焽韪叨葹樽兒穸鹊腻F形，厚度從底部到頂部在60～16 mm變化。煙道孔直徑3.164 m，設(shè)置在距筒底7.74 m處。在本研究中，沒有考慮2層煙囪的共同作用，只將耐火磚筒的質(zhì)量等效作用到鋼煙囪的相應(yīng)位置上。

由煙囪內(nèi)層傳到鋼筒上的溫度為60～100 ℃，日照陰陽面的溫差為40 ℃，室外平均溫度為20 ℃，鋼材的線膨脹系數(shù)1.2×10-5/℃，混凝土的線膨脹系數(shù)9.9×10-6/℃，分別研究煙囪筒內(nèi)高溫氣流和日照陰陽面溫差對(duì)鋼煙囪的影響。

2 鋼煙囪計(jì)算模型

在建立鋼煙囪計(jì)算模型時(shí)，除考慮煙囪本身外，還應(yīng)考慮基礎(chǔ)和煙道的影響，故取12 m×12 m×5 m的部分基礎(chǔ)及部分煙道建模。筒體頂部設(shè)置有增強(qiáng)煙囪橫向剛度的加勁環(huán)梁。在有限元模型中，分別采用殼單元shell63模擬煙囪壁面和部分煙道，采用梁單元beam44模擬筒體頂部的加勁肋，采用體單元solid45模擬基礎(chǔ)。采用映射網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，煙囪和煙道殼單元用四邊形網(wǎng)格，局部相交處采用三角形網(wǎng)格。基礎(chǔ)體單元采用六面體網(wǎng)格，局部與煙囪相交處采用四面體網(wǎng)格，單元總數(shù)為2 058。計(jì)算模型約束條件為，除基礎(chǔ)頂部為自由表面外，其余5個(gè)側(cè)面均視為三向約束。鋼煙囪計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 鋼煙囪計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

3 鋼煙囪計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算表明溫度對(duì)煙囪的影響主要表現(xiàn)在煙道孔附近及其下部，故下文中各圖只繪出煙囪筒體高度25 m以下部分的結(jié)果。

3.1 筒壁溫度的影響

3.1.1變形

筒壁溫度為60 ℃時(shí)，有煙道孔煙囪在自重和筒壁溫度載荷作用下的變形見圖2。圖中MN、MX是軟件標(biāo)識(shí)計(jì)算結(jié)果最大和最小位置。

由圖2可見，沿筒體高度煙囪的變形明顯分為2部分，煙道孔以上變形均勻，煙道孔以下變形復(fù)雜，即煙道孔處正面收縮，側(cè)面膨脹。煙道孔以下繼續(xù)膨脹，底部因基礎(chǔ)的限制而收縮。這種變形狀態(tài)與煙囪的剛度變化有關(guān)，煙道孔改變了煙囪均勻外形，引起剛度的突變，導(dǎo)致變形狀態(tài)復(fù)雜化，也會(huì)影響到煙囪的內(nèi)力。

圖2 筒壁溫度60 ℃時(shí)有煙道孔煙囪在自重和筒壁溫度載荷作用下的變形

3.1.2膜力

筒壁溫度為60 ℃時(shí)，有無煙道孔煙囪單位長度上煙囪壁膜力沿筒體高度的變化曲線見圖3。

圖3 筒壁溫度60 ℃時(shí)有無煙道孔煙囪單位長度上煙囪壁膜力沿筒體高度變化曲線

由圖3可見，①煙囪的環(huán)向膜力和豎向膜力沿筒體高度的變化規(guī)律基本相同，在煙道孔以上，膜力分布均勻，其值也小。在煙道孔處，因剛度的突變引起內(nèi)力劇增，使其達(dá)到最大值。在筒體底部，因基礎(chǔ)的限制使膜力在反向達(dá)到峰值，顯然，該膜力的分布與圖2的變形狀態(tài)相協(xié)調(diào)。②均勻升溫時(shí)，無煙道孔的煙囪除基礎(chǔ)外，膜力變化均勻，其值也小。有煙道孔的煙囪豎向膜力均為負(fù)值，表明筒壁溫度引起的膜力較小，其值仍由自重控制，即均勻升溫對(duì)無煙道孔的煙囪影響較小，而對(duì)有煙道孔的煙囪，煙道孔使膜力劇增。

3.1.3彎矩

筒壁溫度為60 ℃時(shí)，有無煙道孔煙囪單位長度上彎矩沿筒體高度的變化曲線見圖4。

圖4 筒壁溫度60 ℃時(shí)有無煙道孔煙囪單位長度上彎矩沿筒體高度變化曲線

由圖4可見，煙囪的環(huán)向彎矩和豎向彎矩均在煙道孔處達(dá)到峰值，只是環(huán)向彎矩的影響范圍較大。無煙道孔的煙囪除在底部有較小彎矩外，其它部位的彎矩可忽略不計(jì)，表明無煙道孔的煙囪主要靠膜力承載，而有煙道孔的煙囪則靠膜力和彎矩共同承載，即煙道孔在改變了煙囪變形狀態(tài)的同時(shí)，也改變了受力狀態(tài)。

3.1.4應(yīng)力

有無筒壁溫度影響時(shí)煙囪Mises應(yīng)力沿筒體高度的分布曲線見圖5，Mises應(yīng)力沿?zé)煹揽篆h(huán)向的變化情況見圖6，不同溫度工況下煙囪最大Mises應(yīng)力見表1。

圖5 有無筒壁溫度影響時(shí)煙囪Mises應(yīng)力沿筒體高度分布曲線

圖6 筒壁升溫時(shí)Mises應(yīng)力沿?zé)煹揽篆h(huán)向變化情況

MPa

由圖5和表1可見，考慮溫度影響時(shí)筒體高度20 m以上的煙囪Mises應(yīng)力分布均勻，與無溫度影響的煙囪Mises應(yīng)力曲線值相差甚小，筒體高度20 m以下Mises應(yīng)力分布復(fù)雜，分別在煙道孔和基底處達(dá)到峰值。值得注意的是，因煙道孔處應(yīng)力集中嚴(yán)重，最大應(yīng)力與不考慮溫度影響時(shí)的應(yīng)力相比大1個(gè)數(shù)量級(jí)，其值已達(dá)207 MPa(圖6)。當(dāng)與其它載荷工況組合時(shí)，煙道孔處的應(yīng)力可能首先達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度，若受橫向載荷作用，煙囪將發(fā)生繞煙道孔的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至有倒塌的危險(xiǎn)?？梢姛煹揽滋帒?yīng)力集中的影響不在煙道孔局部，而是對(duì)整個(gè)煙囪安全的影響。

3.2 日照溫差的影響

3.2.1變形

當(dāng)對(duì)煙囪進(jìn)行檢修或煙囪不工作時(shí)，受日照作用，煙囪陰陽面會(huì)產(chǎn)生溫差。該煙囪陰陽面溫差為40 ℃，煙囪在自重和40 ℃日照溫差作用下的變形云圖見圖7。

圖7 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪變形云圖

由圖7可見，在日照溫差作用下，煙囪主要產(chǎn)生彎曲變形，筒體頂部的水平位移達(dá)18 cm。

3.2.2應(yīng)力

煙囪在自重和40 ℃日照溫差作用下的Mises應(yīng)力分布云圖見圖8，煙囪Mises應(yīng)力沿筒體高度變化曲線見圖9，煙囪Mises應(yīng)力沿?zé)煹揽篆h(huán)向變化情況見圖10。

圖8 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪Mises應(yīng)力分布云圖

由圖8～圖10可見，除煙道孔外，煙囪其它部位的應(yīng)力分布較均勻，煙道孔處有嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值為132 MPa，發(fā)生在孔邊處。

圖9 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪Mises應(yīng)力沿筒體高度變化曲線

圖10 自重和40 ℃日照溫差作用下煙囪Mises應(yīng)力沿?zé)煹揽篆h(huán)向變化情況

綜上所述，當(dāng)煙囪均勻升溫時(shí)，主要發(fā)生軸向的伸縮變形；當(dāng)承受日照溫差作用時(shí)，主要發(fā)生彎曲變形。不論是均勻升溫還是日照溫差作用，煙道孔處均發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力均發(fā)生在煙道孔邊處。

4 結(jié)論

(1)在均勻升溫和日照溫差作用下，煙道孔處孔發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，改變了煙囪的均勻受力狀態(tài)，并影響到相鄰部位。

(2)均勻升溫60 ℃時(shí)，除煙道孔外，煙囪主要發(fā)生軸向的伸縮變形，其膜力、彎矩和應(yīng)力在煙道孔處分布不均，數(shù)值劇增，最大應(yīng)力為207 MPa，發(fā)生在孔邊處。

(3)在日照溫差40 ℃作用時(shí)，煙囪主要發(fā)生彎曲變形，應(yīng)力在煙道孔處分布不均，其值劇增，最大應(yīng)力為132 MPa，同樣發(fā)生在孔邊處。