温度荷载对钢烟囱的影响分析

2019-11-25

石油化工设备 2019年6期

(山西工程职业技术学院，山西太原 030009)

为适应工业生产的发展需要，烟囱的高度愈来愈高、直径愈来愈大，常用的砖烟囱和钢筋混凝土烟囱已不能完全满足生产工艺的要求。而钢制烟囱强度高、抗震能力好，适合设计成大直径的高耸烟囱，目前已在大型厂矿中得到较广泛的应用。虽然我国已有现行烟囱的设计规范[1]，但没有温度对钢烟囱影响的相关条文。

很多学者对钢烟囱的受力进行了研究，文献[2-3]指出，钢烟囱在各种荷载组合工况下最大应力出现在烟道口筒壁，烟道孔对钢烟囱受力和变形有较大影响，开孔引起应力集中，使风载和自重作用下的最大应力增加了近2倍，温度应力增加80%，开孔使烟囱的基频减小10%，地震应力响应增加了至少2倍。文献[4]提出，设置破风圈可减小烟囱顶部的振幅，避免烟囱产生共振现象，并阐述了烟囱垂直于风向的横向风振计算。文献[5]提出，对于四管塔架式钢烟囱，考虑塔架与排烟筒协同受力更加合理，能充分发挥排烟筒的刚度来抵抗风荷载。文献[6]系统归纳了大直径钢管烟囱的有限元分析和稳定设计理论。文献[7-13]提出了高耸结构动力特性分析的Adomian分解法，并对自立式钢烟囱的横风向风振和涡振问题进行了研究，指出烟囱壳体对于缺陷敏感性较强，涡振设计的关键是对其固有频率的控制，并提出了解决钢烟囱大幅晃动的措施。文献[14-15]对钢烟囱筒壁局部稳定性进行了计算研究，提出沿高度采用变截面和变板厚的形式，合理设置纵、横加劲肋是增强结构稳定性的关键。以上文献均未就温度荷载对钢烟囱的影响进行研究，实际上，烟囱内气流温度高达1 000 ℃，虽然设置有隔热层或隔热材料以降低钢烟囱的温度，但筒壁上的温度仍然超过100 ℃。即使不考虑因温度而引起的材料性质的变化，也应考虑温度对烟囱的受力和变形的影响。文中以高50 m、直径4.402 m的实际应用钢烟囱为例，利用ANSYS有限元分析软件研究温度载荷对钢烟囱的影响，以期为烟囱设计提供参考。

1 钢烟囱概况

该钢烟囱由内外2层组成，内层为耐火砖的隔热层，外层为Q235钢壁筒，两者之间留有20 mm的孔间隙。钢烟囱总高50 m，底部直径4.402 m，顶部直径3.812 m。沿烟囱高度为变厚度的锥形，厚度从底部到顶部在60～16 mm变化。烟道孔直径3.164 m，设置在距筒底7.74 m处。在本研究中，没有考虑2层烟囱的共同作用，只将耐火砖筒的质量等效作用到钢烟囱的相应位置上。

由烟囱内层传到钢筒上的温度为60～100 ℃，日照阴阳面的温差为40 ℃，室外平均温度为20 ℃，钢材的线膨胀系数1.2×10-5/℃，混凝土的线膨胀系数9.9×10-6/℃，分别研究烟囱筒内高温气流和日照阴阳面温差对钢烟囱的影响。

2 钢烟囱计算模型

在建立钢烟囱计算模型时，除考虑烟囱本身外，还应考虑基础和烟道的影响，故取12 m×12 m×5 m的部分基础及部分烟道建模。筒体顶部设置有增强烟囱横向刚度的加劲环梁。在有限元模型中，分别采用壳单元shell63模拟烟囱壁面和部分烟道，采用梁单元beam44模拟筒体顶部的加劲肋，采用体单元solid45模拟基础。采用映射网格进行网格划分，烟囱和烟道壳单元用四边形网格，局部相交处采用三角形网格。基础体单元采用六面体网格，局部与烟囱相交处采用四面体网格，单元总数为2 058。计算模型约束条件为，除基础顶部为自由表面外，其余5个侧面均视为三向约束。钢烟囱计算模型及网格划分见图1。

图1 钢烟囱计算模型及网格划分

3 钢烟囱计算结果与分析

计算表明温度对烟囱的影响主要表现在烟道孔附近及其下部，故下文中各图只绘出烟囱筒体高度25 m以下部分的结果。

3.1 筒壁温度的影响

3.1.1变形

筒壁温度为60 ℃时，有烟道孔烟囱在自重和筒壁温度载荷作用下的变形见图2。图中MN、MX是软件标识计算结果最大和最小位置。

由图2可见，沿筒体高度烟囱的变形明显分为2部分，烟道孔以上变形均匀，烟道孔以下变形复杂，即烟道孔处正面收缩，侧面膨胀。烟道孔以下继续膨胀，底部因基础的限制而收缩。这种变形状态与烟囱的刚度变化有关，烟道孔改变了烟囱均匀外形，引起刚度的突变，导致变形状态复杂化，也会影响到烟囱的内力。

图2 筒壁温度60 ℃时有烟道孔烟囱在自重和筒壁温度载荷作用下的变形

3.1.2膜力

筒壁温度为60 ℃时，有无烟道孔烟囱单位长度上烟囱壁膜力沿筒体高度的变化曲线见图3。

图3 筒壁温度60 ℃时有无烟道孔烟囱单位长度上烟囱壁膜力沿筒体高度变化曲线

由图3可见，①烟囱的环向膜力和竖向膜力沿筒体高度的变化规律基本相同，在烟道孔以上，膜力分布均匀，其值也小。在烟道孔处，因刚度的突变引起内力剧增，使其达到最大值。在筒体底部，因基础的限制使膜力在反向达到峰值，显然，该膜力的分布与图2的变形状态相协调。②均匀升温时，无烟道孔的烟囱除基础外，膜力变化均匀，其值也小。有烟道孔的烟囱竖向膜力均为负值，表明筒壁温度引起的膜力较小，其值仍由自重控制，即均匀升温对无烟道孔的烟囱影响较小，而对有烟道孔的烟囱，烟道孔使膜力剧增。

3.1.3弯矩

筒壁温度为60 ℃时，有无烟道孔烟囱单位长度上弯矩沿筒体高度的变化曲线见图4。

图4 筒壁温度60 ℃时有无烟道孔烟囱单位长度上弯矩沿筒体高度变化曲线

由图4可见，烟囱的环向弯矩和竖向弯矩均在烟道孔处达到峰值，只是环向弯矩的影响范围较大。无烟道孔的烟囱除在底部有较小弯矩外，其它部位的弯矩可忽略不计，表明无烟道孔的烟囱主要靠膜力承载，而有烟道孔的烟囱则靠膜力和弯矩共同承载，即烟道孔在改变了烟囱变形状态的同时，也改变了受力状态。

3.1.4应力

有无筒壁温度影响时烟囱Mises应力沿筒体高度的分布曲线见图5，Mises应力沿烟道孔环向的变化情况见图6，不同温度工况下烟囱最大Mises应力见表1。

图5 有无筒壁温度影响时烟囱Mises应力沿筒体高度分布曲线

图6 筒壁升温时Mises应力沿烟道孔环向变化情况

MPa

由图5和表1可见，考虑温度影响时筒体高度20 m以上的烟囱Mises应力分布均匀，与无温度影响的烟囱Mises应力曲线值相差甚小，筒体高度20 m以下Mises应力分布复杂，分别在烟道孔和基底处达到峰值。值得注意的是，因烟道孔处应力集中严重，最大应力与不考虑温度影响时的应力相比大1个数量级，其值已达207 MPa(图6)。当与其它载荷工况组合时，烟道孔处的应力可能首先达到钢材的屈服强度，若受横向载荷作用，烟囱将发生绕烟道孔的刚体转动，甚至有倒塌的危险。可见烟道孔处应力集中的影响不在烟道孔局部，而是对整个烟囱安全的影响。