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腐蚀钢质烟囱剩余强度有限元分析与加固措施研

腐蚀钢质烟囱剩余强度有限元分析与加固措施研

摘 要:蜀南气矿净化厂尾气烟囱为内砌耐火砖的钢质烟囱,在长期使用过程中,由于尾气残存硫和其他腐蚀物质综合作用,已经严重腐蚀和老化,不能维持简单再生产和扩大再生产的需要,必须立即采取加固措施。针对该烟囱具体腐蚀缺陷,进行可靠性鉴定。通过大量的计算机模拟和剩余强度的有限元计算,找出了烟囱的薄弱环节和对几种加固方案进行了比较分析,最终得出可靠的加固方案。为企业取得了显著的经济效益和社会效益。
  关键词:烟囱 腐蚀 有限元 剩余强度 加固1·2 烟囱剩余临界应力计算
烟囱为钢外壳,内衬耐火保温砖,主要抵抗荷载作用的为钢外壳,而耐火砖已经严重脱落,因此将烟囱考虑为钢质烟囱进行受力分析。首先将烟囱分为19段,根据石油管理局技术检测中心提供的烟囱腐蚀报告,计算出烟囱各段的平均剩余厚度;按照《烟囱设计规范》(GB 50051-2002)中9·3·2条规定[2],计算烟囱各段的平均剩余临界应力,计算结果如表2所示。
0 前 言
四川荣县蜀南气矿净化厂制硫尾气放空烟囱建于1975年,1979年投入使用,已使用26年。烟囱处于B类场地。该烟囱高50 m,顶端直径2·116 m,底部直径4·024 m。烟囱为钢外壳,内衬耐火保温砖,在钢板和耐火黏土砖之间有矽藻土粉和耐酸石棉板,整体为独立结构,没有设计其他稳定设施。烟囱在0~6 m、6~22 m、22~48 m、48~50 m的钢板卷筒厚度分别为12、10、8、6 mm,在标高为46、42、38、34、20 m处设有耐热混凝土圈梁和加劲板。通过对该烟囱进行全面检验发现,烟囱的钢结构在尾气残存的硫和其他腐蚀物作用下,已严重锈蚀,第2、3、4、5筒节的加筋板位置己锈蚀致穿,其中第四筒节周向蚀穿长度达4 200 mm,裂口宽度120 mm,即将锈穿300 mm,达到烟囱筒周长以上,内保温砖及保温涂料受损严重脱落,从下部烟道内掏出保温材料粉化物约2t,该烟囱本体结构及保温层受损严重,已无法满足安全生产需要。目前采取了在腐蚀严重的4节筒体用玻璃钢加固的方法,但对加固后的烟囱是否安全可靠,仍不确定。因此需要对该烟囱进行剩余强度分析,从而判断烟囱现阶段是否安全可靠并找到烟囱的薄弱环节,提出进一步的加固措施。
1 烟囱风荷载和剩余临界应力计算
1·1 风荷载计算
由于烟囱为高耸结构,因此把风荷载考虑为承受的主要荷载。根据荣县局气象资料知:荣县瞬间最大风速32 m/s(风力11级),年平均风速1·4 m/s,年最多风向频率为东风向,年最少风向频率西南风向。现在根据《工程结构风荷载理论和抗风计算手册》[1],分别计算在瞬时最大风速32 m/s和基本风压作用时,烟囱每隔2 m高度的总响应面风荷载。
2 烟囱力学模型
2·1 假设条件
1)忽略烟囱外壁加劲板,建立几何模型,计算结果偏安全;
2)不考虑热应力问题;
3)考虑穿孔情况,未穿孔的部位按各段平均剩余厚度考虑。
3 腐蚀烟囱的有限元计算
3·1 网格划分
在网格划分过程中,根据板壳在力学中的基本要求:10≤a/t≤100,采用单元控制长度为350 mm的9结点空间shell单元,在有腐蚀的部位进行了二次网格划分,以减少误差。烟囱总共划分了9 529个结点,3 128个空间壳单元。 
3·2 计算结果
未加固的烟囱,在基本风压和瞬时最大风压下,各方向等效应力最大点都出现在4-4段的腐蚀处,均远大于该段的剩余临界应力150 MPa,结构处于非常危险的地步;等效最大位移都出现在烟囱顶部,小于规范规定的最大位移500 mm。分析知:除4-4段以外其他各段应力均小于剩余临界应力150 MPa。分析知:该烟囱腐蚀最不利风向为-X方向;在风荷载作用下,烟囱将首先从4-4段发生脆性破坏,从而引起整个烟囱倒塌,因此该烟囱必须采取加固措施。
4 腐蚀烟囱加固后的有限元计算
根据前面的分析与计算,腐蚀将降低临界应力,穿孔处将出现应力集中,因此对腐蚀穿孔部位进行加固,延长其使用寿命,对企业来说,具有重要的现实意义与经济意义。腐蚀烟囱的加固,可以选择两种方式:
1)加拉索;
2)对腐蚀部位用玻璃钢或高强度碳纤维缠绕加固。现根据方法1、2,进行了有限元计算,提出了加固建议。由于烟囱腐蚀后的最大变形都在规范容许的范围之内,因此,采取加固措施以后,变形将更小,故不再作变形分析。以下加固计算中的基本风压和瞬时最大风压均为最不利风向,即-X方向。
4·1 加拉索加固
在烟囱顶部,加4根直径为30 mm的钢丝绳(拉索),其中一根沿瞬时最大风向,在地面的投影距离为30 m。有限元结构。在基本风压和瞬时最大风压作用下,由于拉索的作用,尽管有腐蚀,但腐蚀点与烟道口的等效应力与不采取加固措施的等效应力的情况相比,已大大下降,最危险点出现在2-2段。烟囱加拉索后,基本风压作用下,最大等效应力从296 MPa降到151 MPa,未超过烟囱2-2段的临界应力;在瞬时最大风压作用下,最大等效应力从537 MPa降到288 MPa,超过了烟囱2-2段的临界应力164 MPa。由此可见,加拉索加固可使烟囱的应力大大下降,但在最大风压作用情况时,最大应力值超出了临界应力,因此只采用拉索加固是不可靠的。
4·2 用玻璃钢缠绕加固
在腐蚀最严重,应力最大的2-2、3-3、4-4段,加玻璃钢纤维进行缠绕加固,加固厚度为10 mm,玻璃钢的弹性模量为80 000 MPa,泊松比为0·3。缠绕部分用4节点三维单元进行计算,其余部分用9节点壳单元,有限元模型图,深色部分表示玻璃钢缠绕加强部分。当烟囱用玻璃钢缠绕加固后,烟囱最大应力出现在烟道口处。在基本风压作用下,烟道口最大应力为86 MPa,小于腐蚀后的剩余临界应力163·9 MPa,烟囱其余各段均远小于各段剩余临界应力,等效应力云图如图4。说明烟囱用玻璃钢缠绕加固后,在基本风压作用下是非常安全的。同样,在瞬时最大风压作用下,烟道口最大应力为153 MPa,也小于腐蚀后的剩余临界应力163·9 MPa,烟囱其余各段均远小于各段剩余临界应力,具体情况。说明烟囱用玻璃钢缠绕加固后,在瞬时最大风压作用下是较安全的,但安全系数较低。
4·3 玻璃钢缠绕和加拉索同时加固
分别对玻璃钢缠绕加固和加拉索加固的计算的结果进行分析,建议用玻璃钢缠绕和加拉索同时加固。现在对玻璃钢缠绕和加拉索同时加固的方法进行验算。用玻璃钢缠绕和加拉索同时加固后,在基本风压和瞬时最大风压作用下,烟囱的最大等效应力在加拉索处,分别为23·5 MPa和43 MPa,远远小于该处烟囱的临界应力139·3 MPa,安全系数分别达到5·93和3·24。可知:腐蚀烟囱同时采用玻璃钢缠绕和加拉索加固后,烟囱相当安全可靠,各段应力和安全系数。
5 结 论
1)建议采用玻璃钢缠绕和加拉索同时加固。由以上计算可知:当分别对烟囱采取以上两种加固方式时,各段等效应力明显下降。当加玻璃钢时,在基本风压和瞬时最大风压下都是安全的,但安全系数较低。当加拉索时,在基本风压下烟囱结构安全,在瞬时风压下最大应力约大于临界应力。当采用玻璃钢和加拉索同时加固时,在基本风压和瞬时最大风压下都是安全的,而且安全系数非常高。因考虑到其他因素的影响,如地震、地基稳定性、周边建筑、高温烟气和人为等因素,因此为了烟囱结构更加安全可靠,强烈推荐采取玻璃钢和加拉索同时加固。
2)该项研究取得了良好的经济效益。通过企业初步概算,在不考虑因停产而产生的直接经济损失和间接经济损失,投资修建一座相同的烟囱需要500万元。由于现在蜀南气矿净化厂已经采用了玻璃钢缠绕加固,现只需加拉索加固,初步估计只需50万元,因此具有良好的经济效益。
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