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脱硫塔大开孔处环向纵向筋对塔体稳定性的影响

北极星环保网来源:建筑工程技术与设计2016/11/11 13:45:40我要投稿
  关键词:脱硫塔 大气治理 烟气

北极星环保网讯:【摘要】目前,大气治理行业的塔式容器成为石油化工、纺织、冶金等领域广泛使用的设备,得到了广大行业厂商肯定。然而,为满足工艺要求,需要在塔体上开大孔,往往这些孔会造成附近区域的薄膜应力加大,几何机构遭到破坏,会对塔体的整体稳定造成影响。本文就在脱硫塔壳体大开孔处设置环向纵向加强筋对塔体稳定性的影响进行分析,研究在风载荷、地震载荷作用下,环向纵向加强筋所能起到的改善效果,从而帮助优化脱硫塔的设计理念。

目前,塔式容器成为石油化工、纺织、冶金等领域广泛使用的设备,在得到广大行业厂商肯定的同时,塔设备的设计直接关系到企业的生产成本和安全。近些年,随着国有大型企业的合并和转型,对于塔设备的要求也相应得到提高。

然而,由于塔式容器高度值相较而言比较高,高径比一般都比较大,在地震载荷和风载荷的情况下,很容易失去稳定,发生生产事故,造成企业,乃至社会的人身、财产损失。因此,在建造塔式容器时,需要经过严格的研究和考证,对塔式容器的性能进行加强,减少设备的安全隐患。

而在考虑塔式容器的安全隐患时,塔体上的开大孔更需要得到重视。往往这些孔会造成附近区域的薄膜应力加大,几何机构遭到破坏,会对塔体的整体稳定造成影响。而脱硫塔的烟气入口和烟气出口,直接影响到整个脱硫塔的稳定性。

脱硫塔的稳定与否,不仅关系到企业生产的正常进行,还关系到周边群众的生命财产安全,对于脱硫塔大开孔处环向和纵向加强筋对于整个塔体的稳定性影响,需要经过认真的思考和研究。

1,脱硫塔塔体稳定性补强基本概念

由于工艺、结构和实际使用的要求,不可避免要在脱硫塔上开孔,让烟气进入和流出。然而,开孔以后,会在开孔处产生较高的局部压力,并且会削弱脱硫塔的器壁强度。GB150.3-2011对开孔最大直径作了限制,而对于超出限制的容器开孔,工程上一般称之为大开孔。而根据JB4732-95《钢制压力容器分析设计规范》中的分类,大开孔之后引起的应力有:由于应力集中现象引起的峰值应力、局部薄膜应力和由相贯壳体变形协调产生的边界内力(横剪力与弯矩)引起的弯曲应力。

在实际的设计中,需要对三种应力区别对待,并分别选择对应的合适补强方法。

一般使用的补强方法有:增大筒体壁厚、增大接管壁厚、在筒体上设置加强圈和在大开孔处设置加强筋。

在承受内压作用时,未补强结构的最大应力强度值发生在接管下表面与脱硫塔壳体连接的部位,并且在接管上的应力集中现象较为明显;在承受轴向力作用时,结构的一阶失稳模态为结构沿着与结管轴线垂直的方向左右振动;在承受外压作用时,由于与脱硫塔壳体直径相比,脱硫塔壳体高度比较小,结构的一阶失稳模态为脱硫塔壳体的上端沿着接管轴线方向前后振动。

在承受内压时,加强圈补强和增加脱硫塔壳体厚度补强能够增加脱硫塔壳体的强度,改善脱硫塔壳体上的应力分布情况。而想要有效改善结构和接管的最大应力值和应力分布,则需要增加接管壁厚以及设置加强筋;在承受轴向力时,由于补强圈与脱硫塔壳体之间存在间隙,因此补强圈对于轴向压力作用有限,并不能进行有效改善。而增加脱硫塔的壳体厚度,增加接管厚度以及接管上的加强圈都能有效提高结构承载能力;在承受外压时,由于受底端约束的影响,增加接管厚度、设置加强筋、增加脱硫塔壳体厚度和采用加强圈都没有明显改善效果。

因此,在实际的工程建设中,需要按照实际的情况,根据原始结构的应力分布来选择补强方法,确保大开孔结构的稳定。

2,加强筋对脱硫塔塔体稳定性影响

在上世纪七十年代,主要使用解析方法求解脱硫塔壳体结构开孔应力分布问题,然后由于电子计算机的广泛应用,出现了诸如有限单元法、边界单元法等等计算方法,三维有限元成为国内外工程界解决大开孔的主要手段。

脱硫塔的大开孔直接影响到脱硫塔结构的稳定性,结构的稳定性问题是研究力在变形后脱硫塔结构形上的平衡。本质是非线性问题,包括弹性稳定性和塑性稳定性。利用这个理论,可以计算完善结构或对初始缺陷不敏感结构的临界屈曲荷载。

1980年,Singer曾指出加强筋的形状和厚度研究对大开孔有积极影响,以使脱硫塔的整体承载能力保持不开孔的状态,极大增强脱硫塔的稳定性。Bushnell  D和Meller  E在著作中给出了几个轴压作用下设置环向加强筋的脱硫塔非线性有限元分析结果,并与其它试验结果比照,分析了在均匀轴压和不均匀轴压下,有无加强筋的脱硫塔开孔对环向加强筋脱硫塔壳体塑性破坏影响,结果发现在切断一根环向加强筋时,破坏荷载减少14%,切断两根时,破坏荷载减少21%,切断三根时,破坏荷载减少22%。论证了环向加强筋对于脱硫塔壳体的保护作用。

在大开孔处设置环向纵向加强筋,能够加强接管强度,改善接管上的应力分布,不论是膜应力还是应力强度都能够得到明显改善,尤其是应力强度值能够下降到原来的19%。与其他补强方法相比,加强筋对于接管上的应力分布改善效果更佳明显,使接管对脱硫塔的支撑作用更加明显,脱硫塔壳体的膜应力也相应得到改善。

脱硫塔塔体底端内壁直径14400mm,上端内壁直径11800mm,烟气进口高13.690m,烟气出口高34.025m,烟气进口处锥段设置环向纵向加强筋。考虑南京当地的地震和风压,塔内压3000Pa,冲水高度考虑10m。

在外压作用下,脱硫塔塔体上设置纵向加强筋,前5阶失稳特征值与未设置加强筋的脱硫塔相比,变化并不大,脱硫塔对外压的承受能力变化不大。而在风载荷与液柱静压力、地震载荷与液柱静压力两种失稳情况下,脱硫塔塔体仍然会发生失稳,但脱硫塔塔体承受侧向压力能力明显提高。在脱硫塔壳体上设置纵向加强筋时,应力集中减小,虽然对外压失稳不具备明显改善效果,但是对侧向压力下的失稳改善效果显著。

而在脱硫塔塔体设置环向加强筋时,在风载荷、地震载荷作用下,最大应力点发生在烟气进口接管下表面与壳体连接的中心位置,能够明显降低脱硫塔的应力水平。在风载荷、地震载荷引起的局部外压作用下,一阶失稳特征值增大,对风载荷、地震载荷的承载能力明显改善。在地震载荷作用下,失稳位置为烟气进口接管下表面,在风载荷作用下,失稳位置为烟气出口接管侧面。在脱硫塔壳体上设置环向加强筋,能够降低应力集中,明显改善外压失稳情况,对侧向压力下的失稳也具有改善效果。

当在脱硫塔塔体接管、壳体同时设置环向和纵向加强筋时,脱硫塔的强度和刚度都得到明显改善。在承受风载荷、地震载荷作用时,一阶特征值明显提高,承载能力提高,不容易发生失稳。

不同形式的加强筋对于脱硫塔的改善作用不同,需要根据实际应用的需求进行选择。在选择时,因充分利用环向加强筋和纵向加强筋的不同作用,对于脱硫塔的整体结构稳定性进行补强。

由于实际环境的限制以及工厂生产的需要,对于脱硫塔的设计应该遵循因地制宜的原则,适当设置环向和纵向加强筋,节约材料,降低设备的制造成本,保证生产的持续和安全。同时,在脱硫塔的设计中,应严格进行论证和研究,尤其是对于大开孔,要保证整个脱硫塔的稳定性,防止出现二次污染,推动《中国制造2025》中“绿色制造”的整体发展!

延伸阅读:

【硫老师】关于脱硫塔本体系统的全面介绍

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