近些年除尘器安全事故时有发生，通常都是灰斗脱落或变形引起，本文通过介绍大型除尘器灰斗的有限元计算方法，用该方法求解了灰斗工作条件下的应力应变分布，为鉴定校核分析提供了必需的数据。

灰斗是用于收集粉尘的环保设备，广泛用于火电厂、水泥厂、钢铁厂等处。近年来出现一些灰斗被积灰压垮的事故，因此灰斗的结构强度校核就显得非常重要。以前的灰斗设计，较多采用简化了的计算模型，如将较为复杂的空间载荷简化成一维的拉力和弯矩。类似的简化会造成一定的计算误差，即使能保证设备安全，却难以获得最优化的结果。为了找到一种能够更接近真实工况的计算方法，本文采用Midas Gen有限元分析软件，考虑在运行负压、结构自重和积灰载荷下，对某工程中电除尘器灰斗的应力和应变进行了分析。

1 灰斗结构形式及受力状态

典型的灰斗都是板壳带肋的结构（图 1.1）。灰斗中无积灰或积灰很少时，灰斗主要受负压作用，负压作用为灰斗壁板的法向荷载(F3,图 1.3)。此时除灰斗自重和灰斗下部悬挂设备外灰斗壁板不受其他面切向荷载。

在卸灰前或者卸灰系统出现故障时，积灰达到一定数量积灰荷载为主要荷载。此时灰斗壁板除法向受积灰荷载外(F1,图 1.3)，切向也受积灰荷载(F2,图 1.3)而使灰斗壁板受拉（切向荷载F2计算时可忽略^[1]）。

灰斗壁板的水平加劲肋承担相邻壁板传递的水平拉力和壁板法向受压时传递的弯矩竖向加劲肋主要承受壁板法向受压时传递的弯矩。壁板面内拉力主要由壁板承担。当负压为主要荷载时，灰斗内部水平撑管（图 1.2）受压，当积灰为主要荷载时灰斗内水平撑管受拉。水平撑管有效减小了灰斗壁板及水平加劲肋的跨度。

2 灰斗的几何尺寸及构件材质

灰斗整体形状为长方形漏斗，上斗口尺寸：7.95m×5.80m，下斗口尺寸0.41m×0.41m,斗高7.70m，斗体积：V=119m³，灰斗材质均为Q235A，壁板厚5.00mm，上灰斗横肋采用槽钢C20a，竖肋采用角钢L90×56×8，内支撑杆P89×4.5。下灰斗横肋采用角钢L100×63×8，竖肋为40×6钢板，壁板厚5.0mm。

3 灰斗有限元计算

3.1 计算依据

1)储灰容重取8KN/m³。

2)根据《电除尘器钢结构设计规范》JBT 12127-2015，在150℃工作温度下，钢材强度设计值的高温折减系数时取0.85，折减强度设计值为182.75N/mm2；钢材的弹性模量折减系数为0.94。

3)根据大唐电力集团和华电集团的技术文件要求灰斗及其连接的结构设计按除尘器满灰斗储量的1.5倍考虑。（按1.5倍满灰斗储量进行验算时，是否还要乘以1.5倍的活荷载分项系数，目前行业对此处的标准并未统一，本文按照1.5（活荷载分项系数）×1.5倍储灰的设计值进行验算）

3.2 灰斗模型建立

根据加工图中的相关数据在Midas Gen中进行建模，壁板采用壳单元，横竖肋和撑杆采用梁单元。设定上灰斗主肋之间的连接均为铰接，下灰斗主肋之间的连接均为固接，考虑横竖肋对灰斗壁板的加强作用（具体力学模型简化方式根据不同的灰斗加工方式有所不同），建模结果如下图所示。

3.3 荷载组合及储灰荷载导算

3.3.1 荷载组合

静电除尘器灰斗在运行条件下共承受如下荷载：

(1) 自身重量（负 Z 向 9.81m/s²）；

(2)运行负压（－2kPa），因该项目负压很小，不是控制工况，本次验算忽略灰斗中无积灰或少量积灰时主要承受负压的工况；

(3) 本次按积灰满灰斗的1.5倍储灰进行积灰校核；

荷载控制组合工况为上述(1)和(3)两种荷载组合，即基本组合：

1.3自重+1.5×1.5倍满灰斗储灰

3.3.2 储灰荷载导算

灰斗满灰容积为119m³,按1.5倍满灰计算，储灰量自灰斗上口增高1290mm。

储灰重度取γ=8KN/m³，内摩擦角φ=28°。根据《电除尘器钢结构设计规范》JBT 12127-2015附录B，侧压力系数K=tan²(45-φ/2)=0.361。法向压力系数：§=cos²α+ksin²α=0.109+0.361×0.891=0.431(α=70.7°，为漏斗壁与水平面的夹角，另一侧夹角壁导算过程类似，此处略过）。灰斗斜壁上储灰法向压力为：
P_n=γ*h_x*§，则灰斗上口斜壁储灰法向压力为：P_n1=8*1.29*0.431=4.45KN/m²，灰斗下口斜壁储灰法向压力为：P_n2=8*8.99*0.431=31KN/m²。斜壁储灰法向压力分布详见下图。

图 3.3.2-1斜壁储灰法向压力分布图

3.4 计算结果

3.4.1 上灰斗横肋

上灰斗主肋在进行建模时，考虑了壁板对主肋强度的贡献，因而在模型中采用不等边工字形钢进行模拟。上翼缘宽度取值依据《钢筒仓设计规范》GB 50884-2013。

图 3.4.1-1上灰斗横肋组合截面示意

1)强度应力 

图 3.4.1-2上灰斗横肋应力云图

图 3.4.1-3上灰斗横肋强度应力比条形图

根据上灰斗横肋强度应力比条形图比值，上灰斗横肋强度满足规范要求。

2)稳定应力

图 3.4.1-4上灰斗横肋稳定应力比条形图

根据上灰斗横肋强度应力比条形图比值，上灰斗横肋稳定性满足规范要求。

3)变形 

图 3.4.1-5上灰斗横肋变形图

根据《电除尘器钢结构设计规范》JBT 12127-2015中规定，加劲肋挠度不应超过L/250（L为加劲肋跨度），本工程上灰斗横肋最大挠度为3.49mm＜L/250=16.6mm。变形满足规范要求。

3.4.2 上灰斗竖肋

1)强度应力

图 3.4.2-1上灰斗竖肋应力云图

根据上灰斗竖肋强度应力云图，上灰斗竖肋强度满足规范要求。

2)变形

图 3.4.2-2上灰斗竖肋变形图

根据《电除尘器钢结构设计规范》JBT 12127-2015中规定，加劲肋挠度不应超过L/250（L为加劲肋跨度），本工程上灰斗竖肋最大挠度为3.49mm＜L/250=16.6mm。变形满足规范要求。

3.4.3 灰斗内撑杆

1)强度应力

图 3.4.3-1内撑杆应力云图

根据强度应力云图，内撑杆强度满足规范要求。

3.4.4 下灰斗横肋

1)强度应力

图 3.4.4-1下灰斗横肋应力云图

根据下灰斗横肋强度应力云图，剔除局部应力集中现象，下灰斗横肋强度满足规范要求。

2)变形

图 3.4.4-2下灰斗横肋变形图

根据《电除尘器钢结构设计规范》JBT 12127-2015中规定，加劲肋挠度不应超过L/250（L为加劲肋跨度），本工程上灰斗竖肋最大挠度为3.17mm＜L/250=9.6mm。变形满足规范要求。

3.4.5 壁板

1)强度应力

图 3.4.5-1壁板强度应力云图

根据壁板强度应力云图，剔除局部应力集中现象，壁板标高1/3位置处强度不满足规范要求。

2)变形

图 3.4.5-2壁板变形图

根据《电除尘器钢结构设计规范》JBT 12127-2015中规定，壁板挠度不应超过L/50（L为两加劲肋间距离），本工程壁板最大挠度为20mm＜L/50=18mm。壁板标高1/3位置处变形不满足规范要求。

3.4.6 计算总结

灰斗在150%满灰斗载荷工况下仅壁板强度和变形不满足规范要求，其余均满足要求。

参考文献

[1] 肖春.脉冲袋式除尘器本体钢结构设计方法及优化设计研究[学位论文].北京交通大学,2008,17~28.

[2]吴昊,徐荣.灰斗的强度分析.机械设计与研究.2012,93~99.

[3]赵振奇,潘永来.除尘器壳体钢结构设计.冶金工业出版社.2008.