基于ANSYS的布袋除尘器钢结构热应力分析

赵鹏张雪铭李强

（1.浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛 266580）

基于ANSYS的布袋除尘器钢结构热应力分析

赵鹏1张雪铭1李强2

（1.浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛 266580）

基于ANSYS软件建立了布袋除尘器钢结构的有限元模型。模拟了布袋除尘器的温度场分布，温度分布比较均匀，温差较小，均在370 ～ 410 ℃的范围内。在负压和正压工况下分别对模型进行了热应力计算和分析。计算结果表明，负压和正压工况下均有少数柱脚与基础脱离，但最大脱离位移仅有0.2 mm左右，脱离程度极小，在允许范围内。布袋除尘器箱体顶板处最大应力仅为78.9 MPa，远小于相应材料的屈服强度。为布袋除尘器钢结构的优化设计提供了理论依据。

布袋除尘器；钢结构；热应力；有限元分析

我国“十二五”规划对环境保护提出了更高的要求，环保产业已处于战略性新兴产业之首。随着国民经济的快速增长、人们环保意识的增强和环境保护工作力度的加大，中国环保产业取得了较大的发展[1]，越来越多的环保设备投入使用。布袋除尘器作为一种重要的环保设备，广泛应用于煤矿、电厂、水泥厂和钢铁厂等场合[2-5]。烟尘治理领域，布袋除尘由于具有除尘效率高、不会造成二次污染和便于回收干料等性能优势，在国内外的应用越来越广，占到所用除尘设备的80 %。

本文基于ANSYS软件建立布袋除尘器的有限元模型，在负压和正压两种工况下分别对有限元模型进行热应力计算和分析，为布袋除尘器的优化设计提供理论依据。

1 有限元模型

布袋除尘器主要由中箱体、上箱体、烟道、封板、底梁、灰斗、钢支架和吹灰装置等组合而成。本文根据分析需要建立中箱体、上箱体、烟道、封板和底梁的有限元模型。

1.1 单元选择

立柱和横梁均采用BEAM 188梁单元，梁截面形状有工字钢、槽钢、角钢和方钢。上箱体支撑圆管采用PIPE 16管单元。封板、隔板和盖板采用SHELL 63壳单元。具体参数通过ANSYS软件定义实常数来实现。

1.2 材料参数

材料采用普通热轧钢Q235B，高温弹性模量取为1.57×1011Pa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，屈服强度235 MPa，导热系数50.2 W/（m·K），热膨胀系数1.4×10-5K-1。

1.3 网格划分

线网格划分时，跨度较大的梁节点间距取0.4 m，跨度较小的梁节点间距取0.08 m，跨度最小的梁节点间距取0.01 m，保证每根梁上都有一定数量的单元，又不至于部分区域网格过密导致计算量巨大。整个有限元模型共有4 895个BEAM 188梁单元，192个PIPE 16单元，13 939个SHELL 63壳单元，15 189个节点。基于参数化语言建立的布袋除尘器有限元模型如图1所示。

图1 布袋除尘器有限元模型Fig.1 The finite element model of bag precipitator

1.4 约束条件

布袋除尘器钢结构共有20个柱脚支承，其中固定支承1个，导向支承7个，万向支承12个，支承布置示意如图2所示。图中的数字代表各个柱脚的编号，以便后文的分析叙述。

图2 布袋除尘器柱脚支承布置示意Fig.2 The distribution diagram of bag precipitator columns

1.5 重力载荷

布袋除尘器钢结构承受自身重力作用，通过对模型施加重力加速度实现。模型中将灰斗装置的重量等效为力载荷均匀施加在各气室下端相应的横梁上。灰斗质量23 605 kg，气室下端横梁总长96 m，施加在每根横梁上的线载荷为2 412 N/m，方向沿y轴负方向，如图3所示。

图3 气室下端横梁施加线载荷示意Fig.3 The linear load diagram of crossbeam under gas chamber

布袋除尘器外侧附有保温层，保温材料总质量为18 205 kg，本文将其加在箱体封板结构中，由于板厚为定值，现采用调整封板密度来实现。调整后的封板密度为12 570 kg/m3。

1.6 雪载和风载

根据1964～2014的统计年限中1979年2月23日出现的最大积雪厚度为190 mm，将雪载转化为某一厚度钢板的重量，又考虑到上顶板保温层的质量为2 951 kg，转化后对应的钢板厚度为4.85 mm。

设计风速为20 m/s，根据伯努利方程计算可得到迎风面的风压为258.6 Pa，背风面的风压取为迎风面风压的2/3为172.4 Pa。

1.7 气室压力

布袋除尘器气室内分为负压和正压两种操作工况，负压值为-10 000 Pa，正压值为10 000 Pa，对有限元模型分别施加压力载荷。本文分别对两种操作工况下的布袋除尘器进行热应力计算分析。

2 温度场分析

利用Fluent软件对布袋除尘器有限元模型进行温度场计算后将所得到的各结构部件的温度结果导入ANSYS软件，温度以体载荷的形式施加于有限元模型，温度场分布如图4所示。

图4 布袋除尘器温度场分布Fig.4 The temperature distribution of bag precipitator

布袋除尘器中间为烟道，左进右出。烟道两侧各有4个气室，气室之间由隔板分开。箱体的前后封板处温度较高，从左向右呈现逐渐升高的趋势，左侧箱体封板最高温度为370 ℃左右，且高温区域较少，而右侧箱体封板温度已达410 ℃，几乎全部处于高温区域。布袋除尘器盖板的烟道上方区域温度较高，几乎均达到400 ℃。

总之，除柱脚外，布袋除尘器整体温度基本在370 ～ 410 ℃的范围内，分布较均匀，温差较小。

3 负压工况热应力分析

3.1 支座反力

布袋除尘器共由20个支座柱脚支承（布置编号1～20），各个柱脚的支座反力（负号表示拉力）如表1所示。

由表1可知，柱脚2、10、11、19处均出现了拉力，下面将这四处柱脚对应的竖直方向位移约束释放后进行二次计算。

3.2 受拉力柱脚竖直位移

将柱脚2、10、11、19四处的位移约束释放后进行二次计算得到各个柱脚的竖直方向位移（其余柱脚竖直位移均为0）如表2所示。

表1 负压工况支座反力Tab.1 The bearing force under negative pressure condition

表2 负压工况受拉力柱脚竖直位移Tab.2 The vertical displacement of tensile columns under negative pressure condition

由表2可知，在载荷的共同作用下，布袋除尘器的柱脚2、10、11和19四处均出现了不同程度的脱离情况，但位移极小。

3.3 箱体顶板应力分析

有限元计算后得到负压工况下布袋除尘器箱体顶板的应力分布云图如图5所示。

图5 布袋除尘器负压工况顶板应力云图Fig.5 The stress distribution of bag precipitator tope plate under negative pressure condition

由图5可知，负压工况下布袋除尘器箱体顶板的最大应力仅为78.9 MPa，远远小于钢板材料Q235B的屈服强度235 MPa。

4 正压工况热应力分析

4.1 支座反力

布袋除尘器各个柱脚（布置编号1～20）的支座反力（负号表示拉力）如表3所示。

表3 正压工况支座反力Tab.3 The bearing force under positive pressure condition

由表3可知，柱脚1、9、12、20处均出现了拉力，下面将这四处柱脚对应的竖直方向位移约束释放后进行二次计算。

4.2 受拉力柱脚竖直位移

将柱脚1、9、12、20四处的位移约束释放后进行二次计算得到各个柱脚的竖直方向位移（其余柱脚竖直位移均为0）如表4所示。

表4 正压工况受拉力柱脚竖直位移Tab.4 The vertical displacement of tensile columns under positive pressure condition

由表4可知，在载荷的共同作用下，布袋除尘器的柱脚1、9、12和20四处均出现了不同程度的脱离情况，脱离程度相对负压工况严重，但位移还是很小。

4.3 箱体顶板应力分析

有限元计算后得到正压工况下布袋除尘器箱体顶板的应力分布云图如图6所示。

图6 布袋除尘器正压工况顶板应力云图Fig.6 The stress distribution of bag precipitator tope plate under positive pressure condition

由图6可知，正压工况下布袋除尘器箱体顶板的最大应力仅为75.0 MPa，远远小于钢板材料Q235B的屈服强度235 MPa。

5 结论

利用ANSYS软件建立了布袋除尘器的三维有限元模型，并对其在负压工况和正压工况下分别进行了热应力计算和分析。计算结果表明，负压和正压工况下均有少数柱脚与基础脱离，但最大脱离位移仅有0.2 mm左右，脱离程度微小，在允许范围内。布袋除尘器箱体顶板处最大应力仅为78.9 MPa，远小于相应材料的屈服强度。为布袋除尘器钢结构的优化设计奠定了基础。

[1] 中华人民共和国国务院.“十二五”国家战略性新兴产业发展规划[Z].2012-07-09.

[2] 喻俊霖，潘伶，陈金兴.基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析[J].计算机应用技术，2009，36（10）：26-28.

[3] 赵欣华，梁冬.布袋除尘器技术在火电厂锅炉烟气除尘的应用 [J].吉林电力，2005，27（2）：154-157.

[4] 王鸿合，张斌.布袋除尘器技术及其应用[J].黑龙江电力，2004，174（5）：14-17.

[5] 方华.浅谈布袋除尘器在电厂锅炉烟气除尘中的应用[J].装备应用与研究，2013，372（18）：42-43.

《中石化上海工程有限公司改革创新发展纪实》一书发行

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（魏永忠）

Thermal Stress Analysis of Steel Structure of Bag Precipitator by Using ANSIS

Zhao Peng1，Zhang Xueming1, Li Qiang2
（1.Zhejiang Titan Design & Engineering Co., Ltd, Hangzhou, 310012; 2.Chemical Engineering College, China University of Petroleum Qingdao, 266580）

By using ANSYS, the finite element model of steel structure of bag precipitator was established.The temperature field in bag precipitator was then simulated.The distribution in the temperature field is quite uniform and the difference in the field is small, which is within 370 ～ 410℃.Under positive and negative pressure conditions, thermal stress was calculated for the model.It was shown from the result that under both positive and negative pressure conditions, there were a few columns separated from foundation, but the maximum separation displacement was only 0.2 mm, which was quite small and within the allowable scope.The maximum stress in the top of bag was only 78.9 MPa, which was great lower than the yielding strength of the material.The analytical result has provided theoretical basis for the optimization of the steel structure of bag precipitator.

bag precipitator; steel structure; thermal stress; finite element analysis

TB 131；X 701.2

：A

：2095-817X（2015）04-00012-004

2015-03-20

赵鹏（1984—），男，工程师，主要从事化工机械与设备设计工作。