某脱硝烟道及钢架热应力及稳定性变形分析

流体仿真CFD

某高温SCR脱硝系统改造中新增烟道工艺布置图如图1所示，支架布置示意图如图2所示。

图2 新增烟道及钢支架示意图

1.2 工况参数
烟气温度：400℃；负压：4000Pa；检修载：200kg/m2；风压1.8KN/m2；地震烈度：7级

2 建立有限元模型

根据现场工艺布置图及新增烟道及钢支架示意图，利用ABAQUS有限元软件建立新增烟道的有限元模型，利用Midas-Gen软件建立钢支架模型。通过对比四种工况+X风、-X风、+Y风、-Y风的烟道受力程度，可知+X向风为最恶劣工况，因此本文只对+X向风工况进行建模分析。

2.1.1 材料参数

材料采用Q355B，高温弹性模量取1.79×1011Pa，密度7850kg/m3，泊松比0.3，屈服强度355MPa，导热系数36.8W/(m·K)，热膨胀系数1.4×10-5K-1。

2.1.2 约束条件

烟道支撑设置18个支座，支座的布置示意如图4所示，

图4 支座限位示意图

此外，在烟道底部及顶部位置设置两个防晃限位，在+X工况下，在模型中约束限位（一）的+X方向及限位（二）处表面法线方向，如图5所示。

图5 烟道防晃限位示意图

2.1.3 载荷添加

烟道本体温度400℃，自身重力通过对模型施加重力加速度实现，烟道内壁受负压4000Pa，烟道外表面受+X向风压1.8KN/m2。

2.2钢支架模型

钢支架材料选用Q355B，立柱、横梁、限位梁及斜撑型材为H型钢H250×250×9×14，斜拉筋型材为钢管Φ168×6，支撑层横梁型材为H400×200×8×13，支撑梁为H300×300×10×15，立柱底部固定约束，如图6所示。

图6 钢支架模型

将烟道计算提取的支反力及弯矩添加至钢支架相应位置，其余载荷包括：钢支架自重、每层添加检修载：200kg/m2、风压：1.8KN/m2、地震烈度：7级。

3 计算结果及分析  

    为综合分析新增烟道及钢支架设计的合理性以及对原设备产生的影响，从以下两个方面进行分析：

（1）高温烟道：分析烟道壁板、加强筋及支撑管的应力及烟道的轴向及径向膨胀位移，并且提取约束处及限位处的支反力及弯矩值以便钢支架添加载荷；

（2）钢支架：通过将烟道分析中提取的的支反力及弯矩值添加值钢支架模型，研究钢支架综合受力后的稳定性、变形以及对原设备产生的支反力。

3.1烟道分析

3.1.1支座反力

3.1.1应力结果

    有限元计算后得到+X向风压工况下的高温烟道的应力分布云图如图7所示，可以发现烟道的最大应力区位于下方加强筋处，其最大应力值为206.2MPa，远小于钢板材料Q355的屈服强度355MPa。

图7 烟道应力云图

3.1.2变形结果

    烟道壁板变形按照板的较短边的1/50校核，可得烟道壁板的[许用挠度]=1500/50=30mm，烟道壁板在综合工况下的变形如图8所示，可知其最大挠度值为23mm＜[30mm]，满足要求。   

图8 烟道壁板最大变形图（变形放大系数50）

公式（1）可计算出理想条件下烟道的膨胀位移：

其中δ为膨胀位移，k为膨胀系数，T为温差值，L=21.6m为烟道总长。400℃时的膨胀位移为：

烟道轮廓变形前后对比如图9所示，烟道的向上膨胀位移为66.5mm，向下膨胀的位移为43.2mm,共膨胀109.7mm，手算膨胀位移比仿真结果偏大约5mm，为膨胀节的设计提供参考

图9 烟道轮廓变形前后对比图（变形放大系数50）

烟道支撑处及限位处的变形如图10所示。图10（a）为限位（一）处烟道轮廓变形图，可知X向位移为17.5mm，Y向位移最大为19.7mm，因此该处限位梁的设置须满足X向大于17.5mm、Y向大于19.7mm。

图10（b）为支撑处烟道轮廓变形图，X向位移为13.8mm，Y向位移为20.1mm所以此处X向横梁距烟道须大于13.8mm，Y向横梁距烟道须大于20.1mm；另外由限位支座的位移变化值可得：X向支座限位块距支座须大于10.7mm，Y向支座限位块距支座须大于4.7mm

  

图10限位处及支撑处烟道变形（变形放大系数50）

此处烟道的轴向位移为48.3mm，由此可以确定此处限位梁附近48.3mm区域均须设置滑动材料。

3.2 钢支架分析

钢支架在荷载组合包络值下的应力情况见图11，最大应力为276MPa＜355MPa，主体结构在所有荷载组合下能够满足强度要求

图11 荷载组合包络值下的主框架应力

风荷载和地震荷载作用下结构变形如图12所示（Ｘ向为横向、Ｙ向为纵向）。两个方向风载标准值作用下较大的顶点位 移10.9mm，即H/1752（Ｈ为结构总高度），小于《钢 结 构 设 计 规 范》[5]中对多层框架柱顶位移的要求H/500。

                            

（a）X向风载作用下X向位移                                                                                   （b）Y向风载作用下Y向位移

                                    

（c）X向地震作用下X向位移                                                （d）Y向地震作用下Y向位移

图12 水平荷载作用下的结构位移

对于钢结构，设计复核时除验算整体内力、变形外，还需进行构件截面的验算，即计算构件的强度、稳定性、长细比等是否满足规范要求[6]。为保证结构的安全可靠，本工程设计中将框架柱的组合应力比控制在0.85以内，其他构件的组合应力比控制在1以内。

框架部分主要构件截面最大应力比见表3，满足前述应力比控制要求，故主体结构在所有荷载组合下能够满足稳定性要求。

   表3 不同截面最大应力比       mm

截面	构件类型	应力比
H300×300×10×15	梁	0.64
H400×200×8×13	梁	0.56
H250×250×9×14	柱、梁	0.83
Φ168×6	拉筋	0.93

jimi1996

楼主非常厉害，学习啦

天狼星的伤感

大哥，概念错了。高温下弹性模量和强度都要折减，其次温度是二次应力

流体仿真CFD

天狼星的伤感 发表于 2021-3-20 18:26
大哥，概念错了。高温下弹性模量和强度都要折减，其次温度是二次应力

弹模及强度的温度折减在计算时已经考虑；热应力是二次应力，但文中对于烟道的支座并不是限位支座，而是承载支座，该支座受烟道受热变形会与钢架横梁产生摩擦力，这个摩擦力不是限位力是不可避免的，本文主要分析该力对钢架支撑梁的侧向影响。