高炉粗煤气系统结构分析及有限元应用软件

周利清

(中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430223)

粗煤气系统是高炉炼铁工艺中不可或缺的重要系统，主要由粗煤气管道(含导出管、上升管、下降管)和除尘器及除尘器支架组成。其与后续除尘设施将炉顶引出的含尘很高的荒煤气净化成合乎要求的气体燃料。粗煤气管道布置及形式主要由炼铁工艺决定，当前通常采用“三通管”及“五通球”两种形式，见图1，图2。

图1 三通管型粗煤气系统

图2 五通球型粗煤气系统

1 粗煤气系统结构特点

粗煤气系统由除尘器支架、除尘器壳体及粗煤气管道共同构成，通常除尘器支架采用混凝土框架或钢框架结构，而除尘器本身是具有一定压力的壳体结构，粗煤气管道为空间管系结构。因此粗煤气系统的结构计算不同于一般梁、板、柱结构，可用常规结构计算软件给予模拟;除自重、内衬及平台荷载外，尚需考虑风荷载、地震作用、温度以及粗煤气内压，工况众多，受力复杂;粗煤气系统的结构计算一直是高炉系统中的一个难点。

2 粗煤气系统设计存在的主要问题

高炉粗煤气管道生产使用过程中出现的问题主要集中在上升管和下降管汇合处管皮开裂和焊缝开裂及下降管变形过大。由于粗煤气系统从导出管、上升管、下降管到除尘器之间构成了大跨度、大空间的空间管系结构，且其抗侧刚度相对较弱，在自重、积灰、风载及温度等作用下，粗煤气管道顶部变位及下降管挠度都会比较大。而过大的挠度或变位将影响粗煤气系统的正常使用，如管道内衬剥落、炉顶煤气放散阀出现卡壳无法打开阀门等。因此，在粗煤气系统设计过程中，应该严格限制下降管的挠度及粗煤气上升管顶部节点处的变位。

3 当前设计现状

长期以来粗煤气系统的结构设计一直停留在以经验为主、计算为辅的低层次阶段，许多设计更是服从于“过去的现实”。早前采用简化力学模型近似模拟上升管、下降管及除尘器，或者采用经验公式法，确定粗煤气管壁及重力除尘器壁厚，计算手段简单，无法准确考虑温度、内压等复杂工况。近年来随着计算机技术的进步，开始采用SAP2000有限元软件三维建模，见图3，用线单元模拟粗煤气管道及重力除尘器，较早前有较大进步，但仍有不足之处，主要存在以下几个问题:

1)无法真实反映重力除尘器实际工作情况;2)无法准确模拟下降管与除尘器之间的连接;3)无法考虑内压，无法得出关键部位应力变形;4)无法考虑除尘器支架、除尘器壳体与粗煤气管道三者的协调受力。由于采用SAP2000程序受线单元的局限，无法从真正意义上实现对粗煤气系统的精确数值仿真分析。也就无法全面反映粗煤气系统尤其是结构变化处内力与变形情况，使得设计存在一定的安全隐患。

4 粗煤气系统有限元分析及软件包开发

鉴于当前粗煤气系统设计存在以上种种问题，针对粗煤气系统结构特点和受力状况，本文将运用现代力学理论和计算机技术，采用壳单元对粗煤气系统进行空间力学分析及研究，并在此基础上基于ANSYS平台，开发粗煤气系统结构计算软件，精确模拟粗煤气系统各个部分之间相互作用，计算其应力与变形。对粗煤气系统中的重力除尘器及粗煤气管道采用壳单元模拟，解决了传统的用杆系模型带来的刚度和变形误差，以及计算模型与实际结构在相互几何关系及受力状态最大程度的吻合，较传统的计算手段有很大进步与提高。

4.1 开发软件及单元介绍

ANSYS是目前工程界应用最广的一款有限元分析软件，采用ANSYS对粗煤气系统进行空间结构有限元分析是可行的。但要利用ANSYS对实际工程问题进行分析计算则必须要求操作人员对ANSYS模块较熟悉，而且对力学及有限元理论知识有较深的理解。而对普通设计人员，直接利用ANSYS软件分析有相当的技术难度。为方便设计人员掌握用有限元手段对粗煤气系统进行力学分析，开发基于ANSYS平台的粗煤气系统结构力学分析软件，不仅能大大提高当前粗煤气系统结构分析计算水平，也能显著提高设计人员工作效率。

在对本公司多年来积累的粗煤气系统设计经验与成果进行收集分类、整理基础上，总结出粗煤气系统结构设计参数以及荷载状况，在ANSYS平台上编制出粗煤气系统结构有限元分析软件，本软件是基于ANSYS先进的APDL的参数化模型开发技术，在此基础上进行二次开发而形成的分析软件。该软件包含了设计人员必须涉及到的输入输出信息，目的是使工程设计人员在软件界面中仅需前期设计参数的输入，软件即在后台生成命令流文件并自动导入ANSYS中进行求解计算，最终自动完成粗煤气系统的全部计算以及后处理，大大提高了设计的可靠性和效率。

粗煤气管道及重力除尘器壳体采用Shell63平面壳单元模拟，除尘器支架梁柱采用Beam188线单元模拟，其精度满足分析要求，整体三维模型见图4。

图3 SAP2000整体计算结构模型

图4 ANSYS结构整体计算结构模型

4.2 应力强度限值条件

压力容器在外荷载作用下，满足了静力平衡条件和变形协调条件后，根据应力产生的原因、导出应力的方法、应力存在的区域及应力的性质，将各处应力划分为三类:一次应力(p)，二次应力(q)，峰值应力(f)。根据应力分类对不同类型的应力采用不同的应力强度限值。程序以最大剪应力作为强度准则，荷载采用标准荷载，设计应力强度采用许用应力。粗煤气管道及重力除尘器壳体连续部位的应力强度应严格控制在许用应力［σ］之内;对于除尘器筒体与圆锥段相交部位，存在由于结构不连续引起的弯曲应力，其限值可放宽到1.5［σ］;而对上升管下降管连接处及下降管与重力除尘器连接处，应控制其应力在3［σ］范围以内。

4.3 荷载及边界条件

粗煤气系统荷载主要有:结构及设备自重，内衬，积灰荷载，内压，温度，风荷载，地震作用及其他检修荷载。内衬可通过增大密度的方法，用折算密度取代钢材密度，较以节点荷载的方式不仅减少了荷载工况，也能较为真实反映结构的周期。上升管支座由于炉身框架主平台变形引起的内力暂不考虑，事实上由此产生的应力较小，不影响计算结果的精度要求。

边界条件:上升管与炉顶主平台梁连接按铰接考虑，重力除尘器框架柱按刚接考虑，重力除尘器壳体与重力除尘器支架采用共用节点的方式进行连接。

4.4 后处理

对于一个基于ANSYS平台开发的结构应用软件，仅仅满足于计算精度与速度是远远不够的，尤其对于一般工程设计人员，其后处理强大与否直接关系到软件的推广与应用。本软件采用ANSYS的APDL参数化语言，通过编写命令流方式提取模型计算结果，结果分为文本与图片两种形式。其中文本结果包括模型的几何信息、截面信息、荷载参数、工程量以及各单工况及控制组合工况下粗煤气系统关键位置的最大应力与变形，例如下降管与除尘器相接处最大应力与变形、下降管跨中应力与挠度、上升管交汇处应力、上升管顶部最大水平位移、上升管支座反力和除尘器支架柱底内力等。图片结果主要包括结构各阶振型、各单工况及控制组合工况下粗煤气系统整体应力变形云图及关键位置的应力与变形云图。工程设计人员可结合文本结果及图片结果判断结构是否安全经济，满足规范要求。图5～图9即为某工程应用本软件包自动生成的粗煤气系统在恒载作用下部分应力云图。

4.5 软件特点

本软件基于ANSYS平台，最重要特点是仅需在软件界面中输入各个参数，生成命令流，即可完成粗煤气系统全部内力变形计算。后期利用ANSYS强大的后处理能力，自动得出工程设计人员最关心的应力变形结果，结合规范及相关强度理论知识对结果进行分析判断以满足设计要求。结果可靠性高，图文并茂，一般工程设计人员很容易就能方便掌握。实际工程中，设计人员通过不断调整参数，即可进行多次分析，不仅提高设计效率，也为工程优化设计提供了技术保障。

图5 粗煤气系统结构整体应力

图6 三通管处应力

图7 下降管与上升管相接处应力

图8 下降管与重力除尘器连接处应力

图9 下降管与重力除尘器连接处应力

5 结语

粗煤气系统中重力除尘器和粗煤气管道为受力状况极为复杂的空间薄壳结构，完善的有限元理论和成熟的计算机技术，对此类问题进行较为精确的数值仿真分析成为了可能。采用有限元壳单元技术分析较以往简单的线单元模拟有了很大进步。通过编制粗煤气系统有限元分析软件来分析设计是又进一步。通过这些先进的技术手段，使我们对粗煤气系统的应力与变形有了更全面、深入的认识，对粗煤气系统的设计也更有把握。不仅能避免粗煤气系统设计中的各种问题，进行优化设计，真正做到“该厚的地方厚，该薄的地方薄”，还可以提高设计效率。工业建筑中，具有相同功能的构筑物其有限元模型参数通常也较为固定，可借鉴本文思路进行各类复杂构筑物的力学分析及开发其通用有限元分析软件，从而提高工程设计质量与效率。

［1］ GB 50567-2010，炼铁工艺炉壳体结构技术规范［S］.

［2］ 张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［3］ 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［4］ 孔垂烛，刘京安.高炉炉顶粗煤气管道研究现状［J］.炼铁，2008(1):41-43.

［5］ 刁现伟，李洪光.某大型高炉粗煤气系统有限元分析及工程设计［J］.钢结构，2012(5):44-47.