船用脫硫塔結構安全性評估

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(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

2020年，國際公約善關于SOx的排放標準將更加嚴格，包括我國在內(nèi)，全球很多地區(qū)劃定了限制排放的區(qū)域[1]。顯然使用低硫燃油是控制硫排放的根本措施但其成本相對較高，廢氣洗滌脫硫技術以其實用、方便、有效越來越受到船東們的青睞。廢氣洗滌脫硫已在電站和工業(yè)領域廣泛應用[2]，但在船上的應用尚處于起步階段。船用脫硫塔在外部結構布置與所受載荷方面較陸用脫硫塔均有較大差異，因而陸用脫硫塔的強度評估方法已不再適用。脫硫塔局部應力過高可能造成結構塑性變形或斷裂[3]；當脫硫塔塔壁較薄或長徑比較大時，需對結構穩(wěn)定性加以評估[4]；當船上激勵設備的激勵頻率與脫硫塔結構固有頻率相重合時，會引起較大的結構振動，劇烈的振動會導致結構的疲勞損壞[5]。綜上，考慮以某散貨船擬采用的脫硫塔為研究對象，分析船用脫硫塔的載荷情況，通過有限元軟件評估船用脫硫塔的屈服、屈曲強度與振動特性。

1 結構概況

該散貨船采用的脫硫塔外壁直徑為2.2 m，總高度約10 m，塔壁外側鋪設絕緣材料，包含絕緣的總質(zhì)量約6 t。該塔通過圖1所示的4支座鉚接安裝于某層甲板，上端通過4根彈性吊架連接到煙囪內(nèi)壁上。

該脫硫塔工作原理為：船舶發(fā)動機排出的尾氣通過進氣管進入脫硫塔內(nèi)(溫度約250 ℃)，氣體上行，通過內(nèi)部噴淋管對氣體進行洗滌脫硫，脫硫后的氣體經(jīng)過除霧器去除氣體中所攜帶的水蒸汽，最終氣體通過塔上部排氣口排到大氣中。

2 模型及屬性說明

2.1 有限元模型

脫硫塔有限元模型以塔底板圓心為原點，長度單位mm，質(zhì)量單位為t。由于噴淋管對外壁不起支撐作用，故對其結構不進行模擬，而是通過修改密度的方式將其質(zhì)量分攤到塔壁上；除霧器主要通過內(nèi)部一圈扁鋼進行支撐，其質(zhì)量以質(zhì)量力的形式施加在扁鋼邊緣節(jié)點上；脫硫塔外壁、底板、底板支撐肘板、除霧器支撐扁鋼、進氣管、支座等用殼單元模擬；4根彈性吊架與除霧器支撐結構對齊布置，并采用梁單元模擬。脫硫塔有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

2.2 材料屬性

考慮結構耐腐蝕性，脫硫塔采用SMO254超級奧氏體不銹鋼，材料參數(shù)見表1。脫硫塔壁厚為4 mm，支座處塔壁采用局部貼厚板。

從小到大我對我的老師們印象都不是很好，謝師宴我也就是去露個臉而已。可唯獨我人生中的第一位班主任馬老師，這個我現(xiàn)在連容貌都想不起來的老太太，卻讓我懷念無比。這或許是因為小學二年級轉學之后新班主任給我留下的陰影太深。也可能是因為小學轉學前的那段時光太過沒心沒肺無憂無慮，太過接近“童年”這個詞的本質(zhì)。我想要重拾那段時光，而我卻缺少一個能夠用來喚起我回憶的人。就像是兩個老朋友聚會，開心的話題很少是現(xiàn)在無奈的生活或者未知的未來，在他們的唇齒舌喉間流過，能讓人開心的東西一直只有兩種——各自的“酒”和共同的“過去”。思來想去，那個人數(shù)多到我名字都記不全的班級里，或許我唯一還能找到的人，只剩下馬老師了。

絞車提升下放部分實現(xiàn)起放井架、起下鉆具、下套管及起吊重物等功能。絞車由一臺300 kW的交流變頻電動機經(jīng)聯(lián)軸器同步將動力輸入齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)三級齒輪減速后，通過大聯(lián)軸器驅動滾筒工作。快繩額定提升力達到150 kN，電機還可最大1.6倍過載，具有很強的事故處理能力。絞車還配有一臺15 kW的小功率交流變頻電機，經(jīng)大傳動比送鉆減速機和氣胎離合器后，通過齒輪減速箱和大聯(lián)軸器帶動滾筒軸，實現(xiàn)較大提升力、較小給進速度的自動送鉆功能。變速箱具有兩檔手動換向，絞車整個變速過程由手動換擋機構和主電機交流變頻控制系統(tǒng)操作實現(xiàn)。傳動原理圖見圖2。

表1 材料類型及參數(shù)

分別對4種工況下的一階屈曲特征值進行計算，計算結果見表3。

總體上看，目前這部分研究僅僅將精明增長理論的一些原則與策略引入到城市空間研究中，沒有深入挖掘精明增長理論的內(nèi)涵與實質(zhì)，只是從土地政策上提出了一些建議或措施，定量化研究不足，與精明增長結合不緊密。因而，應借助“3S”技術加強這方面的定量化研究。

主要激勵頻率范圍見表4。為了排除建模誤差，留有15%的頻率儲備[9]。

3 結構強度分析

3.1 邊界條件

在脫硫塔支座螺栓連接處施加剛性固定約束DISP_low；上部彈性吊架與煙囪連接處為彈性連接，設置軟橡膠材質(zhì)起緩沖作用，一定程度上允許彈性吊架沿軸向的位移，故彈性吊架僅在側向加速度載荷存在的情況下起作用，此時在彈性吊架端部施加簡支約束DISP_up。

3.2 載荷情況

1)自身重力。通過重力加速度載荷g施加。

各工況最大應力見表2。

選取2016年4月～2017年12月我院收治的不穩(wěn)定型心絞痛患者79例作為研究對象，采用入院單雙數(shù)法將其分為兩組，其中，對照組39例，男19例，女20例，年齡31～75歲，平均（57.14±5.92）歲，病程0.90～7年，平均（4.24±1.75）年；觀察組40例，男19例，女21例，年齡30～77歲，平均（58.13±4.79）歲，病程0.40～6.97年，平均（4.21±1.20）年。所有患者均符合中華醫(yī)學會心血管學會關于不穩(wěn)定型心絞痛診斷標準，且均造影診斷為冠心病。兩組一般資料比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

3)液體壓力。噴淋裝置對主機排出的氣體進行處理后的殘余液體大部分被蒸發(fā)掉，少部分混入煙塵后通過底部排水口排出，當排水不暢時，水與泥的混合物積于脫硫塔底部，從而產(chǎn)生液體壓力。由于塔內(nèi)設置液位儀，液位儀高度距脫硫塔底板0.5 m，考察該極端狀態(tài)，即塔內(nèi)部水與泥的混合物達到0.5 m高度時液體對結構的作用情況。由于水與泥混合物的密度大于海水密度，這里取ρ=2 t/m3。

4)溫度載荷。脫硫塔進氣管的進氣溫度高達250 ℃，高溫會使結構產(chǎn)生熱膨脹變形，因此對整個脫硫塔結構施加250 ℃的溫度載荷。

5)內(nèi)壓。脫硫塔內(nèi)部氣壓大于外部，內(nèi)外氣壓差約為1 500 Pa，此載荷通過靜壓形式施加在塔內(nèi)側。

現(xiàn)階段大部分小學都已配置了相應的多媒體設備輔助教學，利用生活情境教學不單只是生活的情境部分，也包含多媒體音頻圖片視頻等創(chuàng)設的情境。比如對小學的加減法講解時，多媒體教學方法可以將猴子摘桃子的情境具體化的展示出來，讓學生數(shù)一數(shù)看到共有多少個玉米，然后猴子摘了幾個，還剩下多少個，這樣運用多媒體教學輔助方法，能讓學生更簡單直觀的加深對數(shù)學含義的理解與掌握。

3.3 組合工況

綜合分析以上幾種力的作用效果，考慮以下4種組合工況。

銀杏樹又名白果樹，葉色光澤漂亮，功能神奇，可制茶、入藥。以銀杏葉充枕芯可治失眠、平衡血壓。而銀杏果剝殼后呈乳白色，與西芹清炒，翠白相間，賞心悅目，佐酒最妙。

1)工況1(LC1)。自重+z向加速度+液體壓力。由于自重G豎直向下，z向加速度0.5g也取豎直向下時為危險狀態(tài)。液體壓力通過域載荷的方式施加并且也需考慮z向加速度的作用，即壓力P=ρ×(g+0.5g)×(500-z),MPa。邊界條件施加DISP_low。

2)工況2(LC2)。自重+y向加速度+液體壓力。對此工況施加-y向加速度0.5g，液體壓力考慮-y向加速度影響，分為兩部分施加：Pz=ρ×g×(500-z),MPa，Py=ρ×0.5g×(1 100-y),MPa。邊界條件施加DISP_low和DISP_up約束。

結合表2數(shù)據(jù)可以得出，22 ℃環(huán)境下，肉雞下丘腦熱休克蛋白70的濃度最高（除第10天），第3天和第10天18 ℃和26 ℃處理組肉雞下丘腦熱休克蛋白70的濃度顯著高于22 ℃時（P＜0.05），見表2。結合表3數(shù)據(jù)還可以得出，在試驗的第1天、第3天和第10天，溫度升高對肉雞體核溫度產(chǎn)生的影響均十分顯著（P＜0.05），30 ℃環(huán)境下，肉雞體核溫度均顯著高于其他組別（P＜0.05），見表3。

3)工況3(LC3)。自重+z向加速度+液體壓力+溫度載荷+內(nèi)壓。在工況1的載荷與邊界條件基礎上施加溫度載荷和內(nèi)壓。

4)工況4(LC4)。自重+y向加速度+液體壓力+溫度載荷+內(nèi)壓。在工況2的載荷基礎上施加溫度載荷和內(nèi)壓。考慮到熱膨脹是個緩慢的過程，此時彈性吊架的支撐作用可不予考慮，僅施加邊界條件DISP_low，此工況下彈性吊架對塔壁連接處產(chǎn)生的作用可參考工況2的結果。

3.4 屈服應力結果

對上述4種組合工況進行計算，所得應力結果見圖3。

圖3 船用脫硫塔各組合工況應力云圖

2)船舶運動加速度。與船體本身結構設計參數(shù)、載況和構件垂向位置有關[7]，因此脫硫塔安裝于不同船上所求得的加速度并不相同。一般橫向、垂向加速度大于縱向加速度，考慮到脫硫塔的對稱性，只計算橫向、垂向加速度的影響。又為兼顧普適性，計算中橫向與垂向加速度均保守取0.5g，即ay=az=0.5g=4.905 m/s2。

表2 船用脫硫塔各組合工況最大應力

方案A：改變塔壁厚度。設置脫硫塔塔壁厚度為4、5、6 mm時脫硫塔的一階固有頻率見表5。

3.5 屈曲強度評估

文中脫硫塔塔壁較薄，因而屈曲問題是結構安全控制的重要因素。采用特征值屈曲分析方法，所得特征值為結構的臨界載荷與當前所受載荷相比的安全系數(shù)。工程上通常認為，一階屈曲特征值大于等于3時，設備不會發(fā)生失穩(wěn)[8]。

通過插值法計算得到，當溫度為250 ℃時，線膨脹系數(shù)為17.4×10-6℃-1。考慮脫硫塔塔壁外側鋪設絕緣材料，通過調(diào)整塔壁密度的方式使得模型結構質(zhì)量與實際相吻合。

表3 各工況下的一階屈曲特征值

結果表明，各工況下的一階屈曲特征值均大于3，該脫硫塔不會發(fā)生屈曲，且各工況的一階特征值對應的屈曲均為局部屈曲，都在底部支撐肘板邊緣處，可考慮在肘板邊緣設置邊緣加強筋。

4 振動分析

為了保證振動分析精度，將液體的質(zhì)量以質(zhì)量力的形式施加在脫硫塔底板上，模擬脫硫塔內(nèi)積水時的狀態(tài)。

采用小參數(shù)展開到3階的方法解析研究了位于球坐標空間的無黏、 無旋、 不可壓縮流體在常壓支撐下的球面RT不穩(wěn)定性前4次諧波的幅值演化. 為了更好地理解由不穩(wěn)定性初始擾動界面曲率所引起的BP效應, 以及包括平面、 柱面和球面RT不穩(wěn)定性的空間效應對RT不穩(wěn)定性的影響, 將球面情況下的諧波幅值和平面以及柱面RT不穩(wěn)定性諧波幅值做了對比.

4.1 激勵頻率

SMO254屈服強度為310 MPa，根據(jù)塔式容器標準[6]，許用應力安全系數(shù)取1.5，則許用應力為206.7 MPa。

表4 主機SMCR時的激勵頻率范圍

4.2 計算結果

應用有限元軟件對脫硫塔結構進行模態(tài)分析，結果見圖4。脫硫塔一階固有頻率10.887 Hz，頻率儲備小于15%，認為應該對原設計模型進行結構加強。

圖4 原脫硫塔一階振型

4.3 結構加強

為避免脫硫塔結構的固有頻率與激勵設備的激勵頻率相重合，現(xiàn)提出如下結構加強方案。

1.2.2 發(fā)熱護理急性白血病患者經(jīng)常容易感染發(fā)熱,化療后這種病狀更加明顯,因此護理人員應當首先對發(fā)生高熱的原因查明,感染灶的部位明確,早期發(fā)熱的急性白血病患者給予抗生素對炎癥進行控制。對發(fā)熱的患者可以使用溫水擦浴,在患者的頸部、兩側腋窩、頭部、腹股溝等部位將冰袋放置其上給予降溫。退熱期的患者出汗量比較多,護理人員應當及時擦凈其汗液,為患者更換內(nèi)衣褲避免其受涼,患者體溫降低后0.5h后進行一次體溫測量,也可以遵照醫(yī)囑給予患者口服吲哚美辛片或是注射地塞米松[2]。

可以看出，各工況的最大應力均小于許用應力206.7 MPa，滿足屈服強度要求。工況1、2最大應力出現(xiàn)在支座底部，塔壁本身應力值較小；工況3與4中最大應力出現(xiàn)在塔壁上且數(shù)值相對較大，這是因為在溫度載荷作用下塔壁膨脹變形，而外壁在基座處膨脹受限制因而局部產(chǎn)生較高應力。

表5 不同板厚下脫硫塔一階固有頻率

由表5可見，增大塔壁厚度可以提高結構的一階固有頻率，但壁厚每增大1 mm，結構質(zhì)量約增加0.5 t，該方案經(jīng)濟性欠佳。

方案B。設置環(huán)狀加強筋。在脫硫塔垂向每隔1 m的位置(圖5所示位置1、2、3、4、5、6、7處)分別設置1根寬40 mm、厚4 mm的環(huán)向加強筋。設置后的脫硫塔一階固有頻率見表6。

由于我國高等教育過于關注理論知識的傳授，而相對忽略學生實踐能力的培養(yǎng)，再加上不少畢業(yè)生就業(yè)期望值過高，造成一些畢業(yè)生在殘酷的市場競爭中難以立足。高校作為企業(yè)人才的供給側，在學生培養(yǎng)方面面臨較大困境。而在新時期社會主義市場經(jīng)濟中，各行各業(yè)對人才的要求并不在于其學術水平的高低，而是更加重視人才的專業(yè)知識應用能力，這導致高等院校并不能為各個企業(yè)提供足夠的適用性人才。同時，不同行業(yè)對人才的需求量也存在一定差異，而從實際供需情況來看，部分行業(yè)人才嚴重缺乏，而有些行業(yè)人才供給量卻過大，這明顯反映出我國高等教育結構改革缺乏后續(xù)性。

圖5 脫硫塔環(huán)向加強筋位置示意

位置(對應圖5)一階固有頻率/Hz頻率儲備/%110.9499.5211.0810.8311.12111.2411.07310.7511.13311.3611.39714.0711.01110.1

由表6可見，設置環(huán)向加強筋可以增大結構一階固有頻率，增加幅值從高到低的順序依次為位置6、5、3、2、4、7、1，考慮到結構頻率儲備仍未達到15%，根據(jù)單根加強筋產(chǎn)生的效果組合設置多根加強筋，以滿足儲備頻率的要求。

當在位置6、5同時設置環(huán)向加強筋時，該脫硫塔一階固有頻率為11.507 Hz，達到儲備頻率15%的要求，結構重量僅增加0.018 4 t，經(jīng)濟性遠優(yōu)于方案A。最終采用在位置6、5處設置環(huán)向加強筋的方案。

5 結論

與陸用脫硫塔相比，船用脫硫塔除需考慮自重載荷、液體壓力、溫度載荷與內(nèi)壓，還需考慮船舶運動加速度的影響。

文中船用脫硫塔屈服強度滿足許用要求，但在溫度載荷作用下，脫硫塔外壁局部產(chǎn)生較高應力，在實際操作過程中液體噴淋能一定程度上起到結構降溫作用，因而建議盡量避免脫硫塔干燒的情況發(fā)生。

當脫硫塔塔壁較薄或長徑比較大時，需對結構穩(wěn)定性加以評估，采用屈曲特征值分析法初步判斷文中脫硫塔不會發(fā)生屈曲問題。

在脫硫塔外壁設置環(huán)狀加強筋，能有效提高脫硫塔固有頻率，避開共振頻率范圍，減小振動響應幅值，經(jīng)濟性遠優(yōu)于增加塔壁板厚，該加強方案對于提高船用脫硫塔固有頻率具有普適性。

隨著船用脫硫塔的普及率越來越高，需要更加清晰和完善的規(guī)范規(guī)則來指導船用脫硫塔的設計與計算。