除尘器

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-03-08 10:28:37

摘要:旋流组合式布袋除尘器壳体结构复杂,采用常规方法,难于分析清楚受力特性。为解决这一难题,运用ANSYS有限元分析手段,对其壳体结构进行强度、刚度及稳定性分析,在全面把握受力特性的基础上,顺利完成结构设计。

关键词:旋流式;多级组合布袋除尘器;壳体;有限元;结构分析。

从2004年开始,国家对工业烟气的排放控制采用新的标准,布袋除尘器因其高效的除尘效率,被广泛应用于电厂及钢铁厂的烟气脱硫及除尘。传统的布袋除尘器采用分室多单元结构,针对玻璃窑、垃圾焚烧等烟气量较小的项目,配合旋转喷吹技术。福建龙净环保股份有限公司开发了旋流式多级组合布袋除尘器(以下简称旋流布袋除尘器,如图1所示),其中壳体采用薄壁圆筒结构,烟气进气方式为斜切向下(如图2所示)。常规的钢制焊接常压容器,如立式圆筒形储罐、圆筒形料仓等薄壁圆筒壳体结构的设计可参阅相关设计规范,但本文所述旋流布袋除尘器,直径大,壁厚薄,径厚比D0/δ已超出规范的查表范围,且在筒体侧部开了大的不规则的进气口,筒体结构已不完整。基于以上原因,旋流布袋除尘器壳体结构设计无法参照常规标准,需采用分析设计标准(JB4732-95),运用有限元法进行分析。采用大型有限元结构分析软件ANSYS对旋流布袋除尘器壳体进行强度、刚度和稳定性分析,为旋流布袋除尘器的结构设计提供可靠的理论依据。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析1.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析2.JPG

1分析要点

壳体的结构设计不仅要考虑其强度、刚度,同时也要考虑其在均匀外压及轴向压缩载荷共同作用下的稳定性。壳体稳定性理论已成为近代力学的一项基本研究内容,而薄壳结构由于失稳引起的安全性和耐久性问题已成为人们一直普遍关注的研究课题。

常用外压容器的受载方式有三种:一种是仅径向均受外压;第二种是径向和轴向同时受均匀且相同的外压;第三种是受轴向压缩载荷或弯矩。前两种受载方式所引起的失稳总是轴向失稳;而第三种受载方式会引起轴向失稳。本项目运行工况复杂,综合了三种受载方式,属于作用有附加轴向压缩载荷的外压容器,必须采用组合载荷的方式进行计算,这是壳体结构分析的难点也是分析的要点。

本文运用ANSYS有限元软件,经过合理简化,对旋流布袋除尘器壳体结构进行分析,校核强度、刚度及轴向、径向稳定性,并在此基础上对结构进行优化,取得安全性和经济性的较好统一。

2有限元模型的建立

旋流布袋除尘器本体为板筋结构件,与吸收塔及出口烟道通过膨胀节连接,旋流布袋除尘器本体上安装了许多设备,分析时需进行合理的简化。

2.1合理简化

1)花板、气密顶盖及保温顶盖等构件,采用简单的板筋结构代替;

2)忽略布置在旋流布袋除尘器上非承力构件(如人孔门、灰斗蒸汽加热管等)的影响,将其重量折合成自重载荷加在板壳上;

3)净气室出口及灰斗下料口做法较成熟,不考虑其开口影响;

4)圆锥斗设计参照《贮仓结构设计手册》,此处不作为分析重点,为减小计算量,锥斗网格划分较稀。

2.2几何模型的建立

按照旋流布袋除尘器设计要求及其结构尺寸参数,建立几何模型如图3和图4所示。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析3.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析4.JPG

2.3计算模型的建立

该旋流布袋除尘器壳体为单向外切入口型非对称结构,板使用八节点壳单元SHELL63,加强筋采用空间梁单元BEAM188。在网格划分时必须注意使壳单元和梁单元具有共同的节点,以保证结构的整体性。计算模型图如图5所示。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析5.JPG

2.4边界条件的确定

壳体圈梁与混凝土采用螺栓连接,因此,圈梁底板与混凝土固定的截面位置采用固定端约束形式,旋流布袋除尘器与吸收塔的连接处采用自由端。荷载按实际工况计算,并进行相应的组合。

3计算结果与分析

3.1组合载荷作用下的变形情况

壳体结构的变形图如图6所示。针对本文的研究对象,选取开口薄壁圆筒部分进行重点分析,其变形图如图7所示,最大变形发生在斜板板上,总位移?mm。圆筒上每隔2500mm布一根加强圈,L=2500mm为当量板跨距,取许用挠度[f]=L/400=6.25mm,U<[f],因此,该设计满足刚度要求。由图中还可看出,变形较大的区域主要集中在斜板。斜板上接花板,下连筒体,设计时仅考虑受负压作用。实际上,轴向压力对斜板也是有一定影响的。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析6.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析7.JPG

图8给出了壳体的VonMises等效应力分布图,从图中可以看出,壳体板所受的最大VonMises等效应力为125MPa,小于该工作温度下材料的许用应力[σ]=140MPa,满足强度要求。由图中还可看出,应力较大的区域主要集中在裙座及斜板周圈。裙座的做法相对成熟,具体的加强方案可查阅JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》相关规定。斜板与筒体搭接处为危险区域,因此现场施工时,必须注意该处的安装质量特别是斜板与上下筒体的连接焊接质量。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析8.JPG

3.3稳定性

薄壳类结构破坏的主要形式是屈曲失稳。对于δ/D≤0.1的薄壁壳体的稳定性计算以弹性小挠度理论作为基础,轴向失稳的稳定性安全系数取m1=19.36/2,径向失稳的稳定性安全系数取m2=3。

ANSYS有限元软件的特征值屈曲分析就是基于小挠度理论进行的。而实际上,特征值屈曲分析得到的屈曲载荷的上限,并非保守解(如图9所示)。材料的不均匀性及现场焊接等方面的原因造成的误差,使临界载荷降低,薄壳壳体的稳定性计算以大挠度理论作为基础更具准确性。因此需进行非线性屈曲分析,即分析时考虑结构的初始缺陷及大变形效应等。针对本文研究对象,参照《安装检验技术要求》,筒体安装垂直度公差不大于20mm。因此在分析时,施加初始缺陷值ε=20mm,特征值屈曲载荷是预期的非线性屈曲载荷的上限,将其作为非线性屈曲分析的给定载荷。为了节省计算时间,设定载荷达到第一个峰值时终止计算,不跟踪结构的后屈曲性能。另外,由于径向失稳的响应速度比轴向失稳的响应速度快,下文对轴向失稳和径向失稳分别计算。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析9.JPG

图10为特征值屈曲分析得出的轴向压缩载荷作用下的一阶失稳模态,布袋烟气进口的面板受压后发生局部失稳,屈曲载荷系数为m=9.689,临界载荷为[σ]=174402Pa。非线性屈曲分析的结果如图11所示,临界载荷为[σ]'=112725Pa。取特征值屈曲分析时的危险点,做载荷-位移曲线如图12所示。

图12 为特征值屈曲分析得出的径向均匀外压作用下的一阶失稳模态,筒体的斜板发生局部屈曲,屈曲载荷系数为m=3.204,临界载荷为[P]=17622Pa。非线性屈曲分析结果如图13所示,临界载荷为[P]'=16277Pa。取特征值屈曲分析时的危险点,做载荷-位移曲线如图14所示。

显然,非线性屈曲计算结果中,整体失稳区域未发生在壳体的薄壁筒体部分,而且屈曲载荷比特征值计算结果小。因此,从特征值屈曲分析和非线性屈曲分析均可看出结构稳定性能够满足要求。

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析10.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析11.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析12.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析13.JPG

旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析14.JPG

3.4结构优化

最后,依据分析情况,对强度余量较大的上部筒体、下部圈梁进行优化(减小板厚)。优化后,整体结构仍然必须按照上文所述同样方法进行分析、计算,保证强度、变形、稳定能够满足要求,最终实现安全性和经济性的较好统一。具体计算过程与上文一致,此处不再赘述。

4结论

1)本项目壳体结构设计符合强度和刚度要求。此外,由应力分布图可以得出结构相对危险区域,应采取相应的加强措施及现场安装质量的把控;

2)特征值屈曲分析可以较准确的表达结构屈曲后的形状,但计算结果非保守解,位移值可作为施加人为几何缺陷的基础,特征临界载荷可作为非线性运算的施加载荷;

3)非线性屈曲分析计算得出的临界载荷值比特征值屈曲分析得出的临界载荷值要小得多,对于存在较大几何缺陷的复杂结构来说,进行非线性屈曲分析是很有必要的;

4)壳体结构轴向失稳的屈曲载荷系数m=9.689,布袋烟气进口的面板发生局部失稳,未发生在薄壁筒体上,且m>m1,满足设计要求。轴向失稳的屈曲载荷系数m=3.204,斜板发生局部失稳,且m>m2,满足设计要求。图14中的屈曲曲线与图11的理论屈曲曲线趋势相近,验证了分析的准确性。

有关更多旋流组合式布袋除尘器壳体结构有限元分析的信息,请联系广州新瑞环保的工程师13322814846。