碳鋼脫硫塔的屈曲失穩控制分析

摘要：采用有限元軟件對圓筒形薄殼結構的脫硫塔進行了數值模擬計算，分析了脫硫塔屈曲失穩的原因，總結了脫硫塔屈曲失穩控制的標準。研究表明：脫硫塔在地震、風荷載、動液壓力等水平荷載作用下，容易發生塔底的“象足”屈曲失穩；碳鋼脫硫塔和儲油罐雖然都屬于薄殼結構，但是碳鋼脫硫塔在內部結構上又不同于儲油罐，而且受力較儲油罐復雜，在滿足安全和經濟性的前提下，控制碳鋼脫硫塔的屈曲失穩的標準更適合參照日本規范對控制儲油罐屈曲失穩的計算取值。

關鍵詞：圓筒形薄殼結構；脫硫塔；豎向應力；屈曲失穩；有限元軟件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ053 文章編號：1009-2374（2015）05-0074-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0369

脫硫塔是煙氣脫硫工藝的主體結構，為自立式大型薄殼結構。脫硫塔內部結構復雜，同時承受自重、液體壓力、風荷載、地震荷載、操作壓力等荷載作用，因此塔體的強度和穩定性計算十分復雜。考慮到薄殼結構容易發生屈曲失穩，脫硫塔的屈曲失穩控制標準也沒有規范可以依據，有必要對脫硫塔的屈曲失穩原因及控制標準進行研究。本文以某鋼廠擬新建的碳鋼脫硫塔為研究對象，采用sap2000有限元軟件對脫硫塔進行了數值模擬計算，分析了脫硫塔屈曲失穩的原因，總結了屈曲失穩控制的標準，為類似結構的屈曲失穩控制提供

參考。

1 分析模型

本工程為某鋼廠煙氣脫硫工程碳鋼脫硫塔（圖1），塔高42.340m，0.000～40.300m范圍內為筒體，內徑15.000m，40.300～42.340m范圍內為穹頂。塔壁分別在高度12.750m及38.150m處有開口，12.750m處開口的投影尺寸為10.000m（寬）×4.500m（高），38.150m處開口的投影尺寸為12.000m（寬）×3.500m（高），兩處開口四周設200×200×10箱型截面豎向加強構件及300×200×10箱型截面環梁，在脫硫塔內部的16.750m、20.250m、22.750m、25.200m、27.700m、29.900m、31.900m、33.900m設有工藝層，各層等效荷載依次為：2.547kN/m2、1.132kN/m2、1.132kN/m2、5.659kN/m2、1.132kN/m2、1.415kN/m2、1.415kN/m2、1.415kN/m2，塔下部0.000～9.000m范圍內盛有重度為12.6kN/m3的溶液。

脫硫塔塔身各段長度及壁厚見表1，主要設計參數見表2。脫硫塔穹頂恒載按0.7kN/m2，活載按0.5kN/m2。

按照中國規范，根據式（4），直徑15m、厚度18mm碳鋼薄殼結構的屈曲臨界穩定應力為37MPa；按照日本規范，根據式（6），直徑15m、厚度18mm碳鋼薄殼結構的屈曲臨界穩定應力為81.6MPa；按照美國規范，根據式（6），直徑15m，厚度18mm碳鋼薄殼結構的屈曲臨界穩定應力為102.1MPa。從軟件計算結果看（圖4～圖6），工況1作用下塔壁屈曲失穩的豎向應力接近70MPa；工況2作用下塔壁屈曲失穩的豎向應力接近60MPa；工況3作用下塔壁屈曲失穩的豎向應力接近80MPa。對比三國規范的計算結果，塔的屈曲失穩的應力更接近日本規范的計算結果。

實際情況中，塔內上部存在填料層、噴淋層、除霧層等，且荷重較大，各層荷重及塔身自重是通過塔壁往下傳遞，因此會塔壁下部豎向應力較大；同時，塔身下部盛裝有9m深的溶液，對塔壁下部形成較大環向應力，因此，失穩時的塔壁同時存在較大的環向應力和豎向壓應力。特別是在風荷載、地震作用、動液壓力等水平荷載作用下，塔壁下部會產生彎曲變形，進一步降低了塔體軸向的穩定性。

5 結語

（1）碳鋼脫硫塔屬于薄殼類結構，其受力比較復雜，在地震、風荷載、動液壓力等水平荷載作用下，容易發生塔底的象足屈曲失穩；（2）《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》（GB 50341-2003）是針對儲油罐的設計規范，碳鋼脫硫塔和儲油罐雖然都屬于薄殼結構，但是碳鋼脫硫塔在內部結構上又不同于儲油罐，而且受力較儲油罐復雜，個人覺得不能按照控制儲油罐屈曲失穩的標準來控制碳鋼脫硫塔的屈曲失穩；（3）對比中、日、美三國規范對控制儲油罐屈曲失穩的計算取值，結合工程實例計算的脫硫塔屈曲失穩計算分析，在滿足安全和經濟性的前提下，控制碳鋼脫硫塔的屈曲失穩的標準更適合參照日本規范對控制儲油罐屈曲失穩的計算取值。

參考文獻

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作者簡介：艾虎（1982-），男，湖北天門人，武漢都市環保工程技術股份有限公司結構工程師。

（責任編輯：黃銀芳）