摘要：某高爐煤氣布袋除塵器下部錐形灰斗的手孔開孔直徑超過開孔中心處錐殼內(nèi)直徑的33.3%，超出GB l50-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定范圍，需對該部位的應(yīng)力強度進行校核。采用ANSYS有限元軟件，對錐形灰斗手孔部位進行應(yīng)力分析，根據(jù)模擬結(jié)果對該部位的應(yīng)力強度進行了校核。

關(guān)鍵詞：布袋除塵器；  錐形灰斗；  手孔；  有限元法；  應(yīng)力分析；  應(yīng)力強度校核

Stress Analysis on Large Opening of Conical Ash Bucket of Baghose Precipitator for Blast Furnace Gas

Abstract: The diameter of the conical ash bucket hand hole at the bottom of a baghose precipitator for blast furnace gas has exceeded the internal diameter of conical body at the opening center by 33.3%，which exceeds the requirement in the Steel Pressure Vessel(GB l50-1998),and the stress strength at this position needs to be checked.The stress analysis at the conical ash bucket hand hole is carried out by ANSYS finite element software.The stress strength at this position is checked according to the simulation results.

Key words: baghose precipitator；conical ash bucket；hand hole；finite element method：stress analysis；stress strength check

1 概述

2010年3月，我們設(shè)計了某鋼鐵廠高爐煤氣布袋除塵器。由于生產(chǎn)工藝的需要，布袋除塵器錐形灰斗手孔開孔直徑超出GB l50-1998《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)第8.2節(jié)的規(guī)定范圍(由于設(shè)計時GB150-2011尚未實施，因此設(shè)計時執(zhí)行GB l50-1998)，在無法調(diào)整開孔直徑、開孔位置的情況下，為保證設(shè)計安全可靠，采用ANSYS軟件對錐形灰斗手孔部位進行應(yīng)力分析，根據(jù)模擬結(jié)果對該部位進行應(yīng)力強度校核。

2 布袋除塵器結(jié)構(gòu)

高爐煤氣布袋除塵器設(shè)計壓力為0.28MPa，工作壓力為0.25MPa，設(shè)計溫度為330℃，工作溫度為300 ℃。布袋除塵器結(jié)構(gòu)見圖l。筒體內(nèi)直徑為3 524 mm，壁厚為l4 mm，筒體高度為l0 500 mm，材質(zhì)為Q2358。錐形灰斗高度為4 200 mm，壁厚為l4mm，材質(zhì)為Q2358。手孔開孔處錐形灰斗內(nèi)直徑為626 mm，手孔接管規(guī)格為Ø325×14，材質(zhì)為Q2358。由GB l50-1998表4-1查得，設(shè)計溫度下Q235B的許用應(yīng)力為77.0MPa。GB l50-1998第8.2節(jié)第8.2.3條規(guī)定，錐殼的開孔最大直徑不應(yīng)超過開孔中心處錐殼內(nèi)直徑的33.3%，顯然該錐形灰斗的開孔直徑已超出這一規(guī)定范圍。因此，應(yīng)對該部位進行應(yīng)力分析及應(yīng)力強度校核，以滿足壓力容器相關(guān)設(shè)計要求。

3 有限元模型的建立

通過在ANSYS軟件下創(chuàng)建有限元模型并施加約束條件和荷載，模擬高爐煤氣布袋除塵器在實際工作狀態(tài)下手孔部位的應(yīng)力分布^[1]。

先選擇有限元模型的單元類型。ANSYS軟件提供了近200種單元類型，筆者選用SOLIDl87單元。SOLIDl87為三維高次10節(jié)點單元，有二次取代行為且適用于不規(guī)則網(wǎng)孔。SOLIDl87單元有10個節(jié)點，有任意的空間方位，具有塑性、超塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)力性能，具有模擬近似和完全的不可壓縮彈性材料的混合公式表示性能^[1]。

在ANSYS軟件用戶界面上選擇Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add／Delete選項，彈出單元類型對話框，點擊Add按鈕。在Library of Element復(fù)選框中選擇Structural Solid＞Tet 10node 187，點擊OK。再選擇Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models＞Isotropic選項，彈出線性彈性材料屬性定義對話框，在“EX”文本框中填入材料彈性模量：1.73e5，在“PRXY”文本框中填入材料泊松比：0.3，點擊OK按鈕，完成材料屬性定義。

3.2 有限元模型的建立

模型建立分為兩步：第一步，建立幾何模型；第二步，對幾何模型進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。

①幾何模型的建立

計算重點為錐形灰斗手孔部位的應(yīng)力，由于手孔位于遠離簡體的錐形灰斗下部，因此僅取錐形灰斗進行計算，并對錐形灰斗大端按周邊固支處理。根據(jù)力學(xué)原理，這些簡化處理對手孔部位應(yīng)力計算結(jié)果不易產(chǎn)生影響^[2]。

考慮到錐形灰斗承受均布內(nèi)壓作用，設(shè)置手孔后為非軸對稱結(jié)構(gòu)，但仍有對稱結(jié)構(gòu)，可取其一半結(jié)構(gòu)建立幾何模型。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create選項，創(chuàng)建幾何模型。

②有限元模型的建立

幾何模型建成后，通過對其進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。在網(wǎng)格劃分時，手孔接管與錐形灰斗相交區(qū)附近存在應(yīng)力集中，為了保證計算精度，該區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)密集，遠離該區(qū)域的網(wǎng)格可適當(dāng)稀疏，以減小運算量。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool選項，彈出“Mesh Tool”對話框，選中“Smart Size”智能尺寸打開，設(shè)置網(wǎng)格尺寸的等級為5，可選范圍為1級(精細)到10級(粗略)。設(shè)定智能尺寸后網(wǎng)格劃分器對需要劃分網(wǎng)格的面或體上的所有線估算其單元邊長和分布情況，同時對彎曲區(qū)域的線進行細化，自動生成合理形狀的單元和布局。選擇“Mesh：Volumes(體)”和“Free(自由網(wǎng)格劃分)”，單擊Mesh按鈕，彈出實體選取對話框，選擇生成的實體模型。

錐形灰斗有限元模型見圖2。將幾何模型共劃分成68 545個單元，l37 373個節(jié)點。手孔接管根部網(wǎng)格劃分見圖3，圖中數(shù)值單位為mm。

由于有限元模型建立在一半結(jié)構(gòu)的錐形灰斗上，這就需要對有限元模型施加約束條件及荷載，以模擬實際狀態(tài)。

ANSYS軟件約束模型的自由度，使得模型不能發(fā)生垂直對稱面方向的移動和對稱面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞Symmetry B.C.＞On Nodes選項，彈出對稱面法線方向選取對話框，選取2軸為法線方向，點擊OK按鈕確認(rèn)。

由于錐形灰斗承受內(nèi)壓力，在錐形灰斗和手孔接管的端面會產(chǎn)生等效壓力，內(nèi)壓在錐形灰斗和手孔接管產(chǎn)生的等效壓力應(yīng)以均布壓力的形式作為荷載施加到相應(yīng)位置。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Areas選項，選擇所受的內(nèi)壓表面，點擊Apply按鈕，在彈出的對話框中“VALUE”項輸入設(shè)計壓力0.28MPa，點擊OK按鈕確認(rèn)。

3.4 求解

在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls選項，彈出求解控制對話框，在該對話框中的“Analysis Options”列表框中選擇“Small Displacement Statics”選項，點擊0K按鈕。然后依次選擇Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS選項，進行求解。求解完成后，程序會自動提示求解完成“Solution is Done”。

選擇Main Menu＞General Post proc＞Read Results＞Last Set選項，讀取最后一步的求解結(jié)果。

4 應(yīng)力分析與應(yīng)力強度校核

ANSYS提供了變形、應(yīng)力、應(yīng)變、能量等云圖顯示。錐形灰斗外表面應(yīng)力分布見圖4。手孔接管內(nèi)表面根部應(yīng)力分布見圖5。由圖4、5可知，最大當(dāng)量應(yīng)力位于手孔接管內(nèi)側(cè)的圓角過渡處，在設(shè)計壓力為0.28MPa時，最大當(dāng)量應(yīng)力為55.37MPa。

在手孔接管內(nèi)側(cè)的圓角過渡處，一次總體薄膜應(yīng)力強度為l6.8MPa，一次局部薄膜應(yīng)力強度為20.31MPa，一次局部薄膜應(yīng)力強度加一次彎曲應(yīng)力強度為48.56MPa，峰值應(yīng)力強度為51.69MPa。JB4732-1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第5.3節(jié)規(guī)定：一次總體薄膜應(yīng)力強度的許用極限小于等于材料許用應(yīng)力，一次局部薄膜應(yīng)力強度的許用極限小于等于1.5倍的材料許用應(yīng)力，一次局部薄膜應(yīng)力強度加一次彎曲應(yīng)力強度的許用極限小于等于l.5倍的材料許用應(yīng)力，峰值應(yīng)力強度的許用極限小于等于3倍的材料許用應(yīng)力。材料許用應(yīng)力為77MPa，經(jīng)校核計算，按JB 4732-1995的規(guī)定，手孔部位應(yīng)力強度滿足要求。

5 結(jié)論

在內(nèi)壓作用下，所研究的布袋除塵器錐形灰斗手孔接管根部的總體應(yīng)力水平不高，最大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在手孔接管的內(nèi)表面根部，一次總體薄膜應(yīng)力強度、一次局部薄膜應(yīng)力強度、一次局部薄膜應(yīng)力強度加一次彎曲應(yīng)力強度、峰值應(yīng)力強度均符合JB4732-1995的規(guī)定。

參考文獻：

[1] 尚小江.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2005：33-60.

[2] 徐巖，鄭洪濤，梁海東，等.橢圓形封頭大開孔結(jié)構(gòu)強度分析[J].熱能動力工程，2007，22(4)：404-408.

本文作者：王洪王盛峰 王麗娟 王婷 鄭桂友

作者單位：建設(shè)部沈陽煤氣熱力研究設(shè)計院