大直径、多出料口钢筒仓方圆节结构方案优化分析

大直径、多出料口钢筒仓方圆节结构方案优化分析

余志杭

福建龙净环保股份有限公司 福建龙岩 364000

摘要：在钢筒仓结构设计的过程中，传统设计是采用圆转方下料的结构设计方案，但并未提出具体的设计优化思路，文章对大直径及多出料口钢筒仓在传统设计方案的基础上，采用有限元分析工具及在实际项目的应用，对不同圆转方的形式进行分析，提出较为合理的钢筒仓圆转方过渡段的受力形式及优化方案，供筒仓结构设计及研究人员参考。

关键字：钢筒仓 ；多出料口 ；方圆节；设计方案 ；优化分析

1.引言

钢筒仓广泛的应用于电厂石灰石—石膏脱硫装置中，是一种常见的石灰石粉贮存容器。作为一种立式仓库容器 ，钢筒仓主要用于储存粉状或粒状的松散物料，具有贮藏量大、 占地面积小 、便于机械化作业、 物料浪费少等诸多优点。筒仓的本体分为竖直段与下料段，竖直段一般有圆形或方形两种形式，下料段分为平底形和漏斗形。在电力行业脱硫脱硝装置中采用较多的是漏斗形式，基于工艺需要和结构选型，通常又分为单斗和多斗的形式。本文研究的钢筒仓下料段有4个出料口，采用圆转方的结构过渡设计方案，由于漏斗仓壁钢板在圆变方转变处的形式变成了曲面，故应力极易产生突变且应力整体水平较高，本文将对不同过渡形式的圆转方进行分析，得到较为合理的结构形式。

2.工程概况及荷载的施加

某石化电厂脱硫岛项目中，采用了圆形钢筒仓，文章将以此实际项目为例进行圆转方的过渡段分析。如图1所以，该筒仓采用圆形灰仓的形式 ，仓内存粉煤灰，密度为1.3t/m³，额定容量为900 m3，仓整体高 14 m，最大直径 10 m，仓下部有4个出料口 ，出料口尺寸为方形300x300 mm，仓顶作用一个小型布袋除尘器。钢结构筒仓全部用钢板和型钢焊接而成，根据工艺要求，需满足两个口正常工作的同时，另外两个口也能在不停工的前提下，满足正常检修的要求。在设置的4个锥形灰斗中，为让钢结构筒仓能通畅出料，需保证漏斗钢板倾角度＞ 60°，确保物料不会集中，影响下料。

钢筒仓本体钢板和型钢采用Q235钢，作用在灰库结构上的荷载分为永久荷载、可变荷载及地震荷载。永久荷载包括结构自重、固定在结构上的设备荷载及环境温度作用。可变荷载包括贮料荷载、楼面活荷载、雪荷载、风荷载、可移动的设备荷载、安装检修荷载及积灰荷载。根据GB50884-2013《钢筒仓技术规范》（以下简称《筒仓规范》）规定，项目设计的钢筒仓h/dn =1.4＜1.5为浅仓。按《筒仓规范》要求，浅仓所需承受的荷载包括水平压力P_h、漏斗法向压力P_nk、漏斗切向压力P_tk及顶部检修载F。

采用通用有限元分析软件Midas gen建立三维模型，壳体和型钢分别采用板单元与梁单元模拟，边界采用8个铰支座，由于四灰斗中心点处无支撑，必将应力过大，为了避免此种情况，在灰斗之间加灰斗支撑梁，支撑梁由板与角钢拼接而成。将筒仓圆转方的过渡区分为3段，第一段为圆锥形段，第二段为圆转方段，第三段为灰斗方形段，如图2所示。为了方便研究，着重选取比较极端的两种情况来分析筒仓圆转方的过渡段的受力情况，具体研究工况详见表一：

研究工况分析表1

根据两种工况要求，分别建立了Midas gen 三维有限元钢筒仓模型，如下图3、图4所示：

图3.工况1模型示意图 图4. 工况2模型示意图

3.分析结果

通过建立的两个大直径、多出料口钢筒仓结构有限元软件模型，在竖直段水平载荷+漏斗法向载荷+漏斗切向载荷+风载荷+检修荷载共同作用下的应力分析结果，分别如图 5、图 6 所示。从图5可以看出：工况1的板应力云图中，出现多处应力集中，在灰斗支撑梁支座处及两侧应力突变明显。由于直径大，灰斗支撑梁跨度也将达到筒仓的直径10m，仅靠灰斗支撑梁支撑，即便做成十字交叉梁，也必须提高灰斗支撑梁高度或加大材料来满足受力要求，其变形也易产生超限，不易控制。同时，圆转方灰斗的外边角也出现了应力突变，此处是由于圆转方过渡短，过渡剧烈，几何形状突变导致了应急集中。工况2板中，虽也存在少数应力集中的现象，但整体应力变化趋势平缓，在四个灰斗支撑梁支座处及圆转方过渡曲面处均未出现过大的应力突变现象。相同的现象也出现在钢筒仓壳体加强型钢上，如图7所示，工况1的壳体加强型钢多处出现应力集中和过大的情况，而工况2图8中却很少这样的现象，整体过渡平缓，传力均匀。

图5.工况1板应力图（最大应力为159 N/mm²） 图6.工况2板应力图（最大应力为152 N/mm²）

图7.工况1梁应力图（最大应力为159 N/mm²） 图8.工况2梁应力图（最大应力为152 N/mm²）

4.结论

大直径、多出料口钢筒仓属于筒仓类特种结构，由于多灰斗的出现导致了几何形状及结构的突变，这些突变势必在受力上导致应力集中。应力集中达到钢材屈服强度时，会导致筒仓内力重分布、结构破坏和变形过大，这些不仅在设计上带来巨大的困难，同时也会造成制造成本的增加。通过上述分析，选择圆形段长、圆转方过渡平缓的结构形式，可以使灰斗支撑梁跨度变短，灰斗支撑梁支座处不易产生应力集中，应力变化线性。

参考文献

[1] GB 50884-2013，钢筒仓计算规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 吴位民，马魁文，李勇.钢结构多出料口给配钢结构筒仓结构计算[J].起重运输机械，2012.