基于 ANSYS的脱硫塔应力分析计算

基于 ANSYS的脱硫塔应力分析计算
李卫卫;顾礼新
【摘要】根据脱硫塔结构的重复对称性,选择脱硫塔对称部分建立力学模型. 考虑自重、风载荷、地震载荷及温度场的分布,利用ANSYS有限元软件对脱硫塔的主体结构及各主要部位进行结构应力和热应力分析,得到其相应的应力强度云图. 根据JB4732 -95《钢制压力容器———分析设计标准》进行强度校核,结果表明,强度满足要求.%According to the symmetry of the structure of the desulfurizing tower , the symmetry part model of the desulfurizing tower is
created .Considering the gravity , wind load, earthquake load and distribution of temperature field, the stress analysis and thermal stress analysis on the structure and some im-portant components are carried out by use of the finite element software ANSYS , the stress intensity contour are obtained.The intensity check are made according to JB4732—95 Steel pressure vessel – analysis and design criteria.The results show that intensity of the desulfurizing tower meet the require-ments.
【期刊名称】《化肥设计》
【年(卷),期】2015(053)006
【总页数】6页(P28-33)
【关键词】脱硫塔;ANSYS有限元软件;应力分析;强度校核
【作者】李卫卫;顾礼新
【作者单位】上海克硫环保科技股份有限公司,上海 201203;上海克硫环保科技股
份有限公司,上海 201203
【正文语种】中文
【中图分类】TQ441.41
有色金属冶炼排放的烟(废)气中含有SO2等有害气体，造成大气污染和酸雨危害。

虽然经过“十一五”时期的烟气脱硫建设，我国的SO2排放量已大幅度下降，但
是在“十二五”和今后一段时间，我国的SO2减排压力依然较重。

进入21世纪，绿色低碳、清洁生产和循环经济成为世界工业生产和经济可持续发展的重要指标，我国也在“十二五”期间把加快转变经济发展方式、发展战略性新兴产业和加强自主创新能力作为新的主攻方向，而活性焦干法烟气脱硫技术以其卓越的技术性能和相对较低的经济成本，在烟气净化、硫资源回收和清洁生产方面发挥了重要作用。

因此选择活性焦干法烟气脱硫技术，对有色冶金行业进行SO2减排和资源化利用，对于转变经济发展方式和发展循环经济，具有十分重要的意义。

活性焦烟气脱硫技术是一种适应宽工况、宽负荷的可资源化烟气净化技术。

采用模块化设计，通过多个模块和多个塔并联实现大型化，可以用于大流量工况时的烟气脱硫。

脱硫塔是活性焦烟气脱硫系统中的重要装置，其结构及使用工况均较为复杂。

本文利用大型有限元分析软件ANSYS，对该设备及各主要部位分别进行了应力分
析计算。

分析过程中按照JB4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》进行
强度校核。

结果表明，脱硫塔的设计是合理的，强度满足要求。

某脱硫塔结构，塔体为矩形，长33 682 mm，宽9 000 mm，总高约27 310 mm。

该塔主要由塔体、立柱、料斗、底座组成，其内部附件为格栅板。

塔体上由纵横交错分布的加强筋加强，脱硫塔设计工况见表1，材料参数见表2。

由于脱硫塔整体模型比较大，考虑到模型结构的重复对称性，以及ANSYS运算效
率问题，现取部分对称结构建模进行分析，模型分析见图1。

对脱硫塔有限元建模过程作以下简化和假设。

(1)由于脱硫塔模型结构的重复对称性，选择脱硫塔的部分对称结构建立有限元模型。

(2)对加强筋的连接方式进行简化处理，直接将加强筋和加强部分连成一体。

(3)由于主要研究脱硫塔在重力、风载、地震载荷作用下支撑结构受力情况，脱硫塔气室和料室之间的部分结构模型忽略。

(4)由于该脱硫塔模型比较大，用实体单元建模计算对硬件要求高，现考虑用实体单元和梁单元建立有限元模型，这样大大减少了运算量和运算时间。

(5)ANSYS有限元软件提供了2种分析方法进行热应力计算。

这里采用间接法，首先进行热分析，然后将求得的单元节点温度作为体载荷施加在模型结构上进行应力分析。

(6)间接法进行热应力分析的主要步骤包括：首先进行热分析得到温度场分布，然后重新进入前处理阶段，将热单元转换为相应的结构单元，并注意设定相应的单元选项，若热单元的轴对称不能自动转换到结构单元中，设置结构分析中的材料属性(包括热膨胀系数)以及前处理细节，如节点耦合、约束方程等；读入热分析的节点温度，设置参考温度，进行求解，进入后处理。

由于该脱硫塔结构比较大而且复杂，这里采用梁单元和实体单元建立有限元模型。

脱硫塔塔体、底部料仓、中间过渡段、立柱支撑、底部支座等部位均采用8节点实体单元(solid45)进行网格划分，塔体表面加强筋、内部支撑拉杆、料仓表面加强筋均采用三维线性梁单元(beam188)模拟，单元之间的连接应保证单元间的协调，这里采用共节点连接方式，忽略梁单元的转动。

脱硫塔内壁施加设计压力p=0.004 5 MPa(a)，裙座底面施加位移全约束，对称面施加对称约束。

在计算中考虑到自重、地震、风压的影响。

自重的处理，施加重力加速度g=9 800 mm/s2，并定义材料的密度ρ=7.85×10-6 kg/mm3。

地震发生时，地面运动是复杂的空间运动，分为三个水平和三个转动分量。

转动分量实测数据少，一般不予考虑，地面横向运动使设备产生水平方向的震动，危害较大。

水平地震力
式中，α为地震影响系数；η为基本振型参与系数；mk为集中于单质点的质量。

垂直地震力：
式中，αvmax为垂直地震影响系数最大值；meq为塔式容器的当量质量，
meq=0.75m0；m0为塔式容器的操作质量。

风压与筒体高度成比例，
式中，pw为风压；q0为基本风压；f为风压高度变化系数。

风压高度变化系数见表3。

建好力学模型，施加边界、载荷条件进行求解。

利用ANSYS软件处理,得到脱硫塔对称部分模型结构的应力强度分布见图2，得到的各部位的应力强度分布见图3～图6。

模拟温度场时，脱硫塔左端和右端气室内表面施加物料对流边界，设定物料温度为150 ℃，物料对流传热系数为6×10-6 W/(mm2·℃)；脱硫塔中部料室内表面施加物料对流边界，设定物料温度为250 ℃，物料对流传热系数为6×10-6
W/(mm2·℃)；脱硫塔外表面施加空气对流边界，设定空气温度为20 ℃，空气对流传热系数为6×10-6 W/(mm2·℃)。

热应力分析时，读入热分析的节点温度，定义参考温度为0 ℃，脱硫塔裙座底面施加位移全约束，脱硫塔对称面施加对称约束。

建好力学模型，施加边界、载荷条件进行求解。

利用ANSYS软件处理，得到的脱硫塔对称部分模型结构的热应力强度分布见图7，得到的各部位的热应力强度分布见图8～图11。

根据JB4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》进行应力强度评定。

主应力差：
应力强度：
一次总体薄膜应力强度极限为Sm，一次局部薄膜应力强度极限为1.5Sm，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5Sm，一次薄膜应力强度加二次弯曲应力强度极
限为3.0Sm，Sm为许用应力强度。

脱硫塔各部位主要材料Q235-B在150 ℃下的许用应力强度Sm为113 MPa(a)。

按JB4732-95的分析设计准则进行应力强度校核，即一次局部薄膜应力强度极限
为1.5Sm，一次薄膜应力强度加二次弯曲应力强度极限为3.0Sm。

脱硫塔结构应
力的强度校核见表4，热应力的强度校核见表5。

根据上两表的评定结果，脱硫塔强度校核合格。

(1)通过利用ANSYS应力分析软件对脱硫塔本体及立柱支撑、底部支撑、底部加
强板、裙座等各部位进行结构应力和热应力分析，可以得到各种应力强度分布图。

(2)按照JB4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》对脱硫塔各主要部位进
行强度校核，结果表明强度满足要求。

(3)基于有限元分析方法的计算分析可以做到高效率和低成本。

(4)在使用ANSYS进行应力分析时，若想得到更接近真实值的结果，则力学模型
的建立、网格的划分、边界条件的设定、载荷的施加必须准确而合理，且在条件允许的情况下，应尽可能减少对模型的简化。

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