船用脫硫塔基座設計與強度分析

龔偉兵

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

隨著限硫令的正式實施，作為船舶改裝設計中的辦法之一的安裝脫硫塔廢氣清洗系統（Exhaust Gas Cleaning System，EGCS），成為大部分航運公司的選擇，使得船舶脫硫塔改裝市場變得異常火爆。由于脫硫塔一般都比較高大，而且塔身結構加上內部介質通常達70 t左右，大型船舶所配置的脫硫塔甚至超過100 t，因此，需要有合理的基座設計為脫硫塔提供有效的支撐，且不會對原船結構造成破壞。

1 脫硫塔及布置方案概述

船舶的煙氣脫硫按工藝可分為干法脫硫和濕法脫硫[1]。干法脫硫指的是煙氣的脫硫吸收和產物處理均在干狀態下進行，煙氣進入脫硫塔與脫硫劑逆向流動相混合，脫硫產物呈干態；濕法脫硫即煙氣進入脫硫塔后經過堿性溶液噴淋洗滌，煙氣中的硫化物被溶液吸收生成硫酸鹽等液態產物。由于后者具有脫硫反應速度快、設備簡單、脫硫效率高等優點，因此，船用脫硫塔一般采用濕法脫硫。

船用脫硫塔根據工作原理又可分為：開環式脫硫塔、閉環式脫硫塔和混合式脫硫塔[1]。開環式脫硫塔利用海水泵將海水抽入脫硫塔作為介質（海水呈堿性），然后通過塔內的噴頭噴出與塔內煙氣發生反應，中和煙氣中的硫化物；脫硫后的煙氣經過氣體監測系統后排入大氣，而中和了硫化物的海水在經過水質檢測后排入大海。閉環式脫硫塔采用淡水加脫硫劑的方式來處理煙氣，其與煙氣的作用過程與開環式一致；不同點在于直接參與脫硫的淡水在與煙氣反應后進入循環柜，并由里面的水處理單元進行分離，分離出的殘渣移入儲存柜，而剩下的淡水重新進行循環使用。混合式脫硫塔是開環式和閉環式脫硫塔的一種有機組合，因此其設備配置與組成包括了開環式系統和閉環式系統，它可以根據排水區域限制在開環式和閉環式2種模式間相互切換。

從結構型式上講，脫硫塔在船舶的應用中一般有2種結構：單塔結構（見圖1和圖2）和雙塔結構[1]（見圖3）。單塔結構是船上鍋爐和所有發電機都組合在一起，煙氣匯集后進入唯一的脫硫塔完成脫硫；單塔結構又可以細分為I型和U型。雙塔體結構有2個塔體，可以根據需要進行組合，比如鍋爐的煙氣進入一個單獨的塔體完成脫硫，所有發電機煙氣匯集到另一個單獨的塔體完成脫硫。

圖1 單塔結構型式-I型

圖2 單塔結構型式-U型

圖3 雙塔結構型式

根據脫硫塔型式和結構形式，考慮工期和改裝量大小，目前主流的脫硫塔布置分為4種：1）老煙囪整體換新，即將原船煙囪割除，整體新制1個煙囪，將脫硫塔放在新煙囪內；2）煙囪擴建，即原煙囪只作局部切割，并向外延伸一部分用來放置脫硫；3）獨立塔房設計，即原煙囪不動，在附近新設1個獨立房間來放置脫硫塔，并采用封閉管路進行煙氣輸送；4）裸塔布置，直接在原煙囪附近露天布置[2]。

2 脫硫塔基座設計

脫硫塔基座的設計需要考慮以下幾個方面：原船結構形式、脫硫塔的選型、改裝布置及吊裝方案的選擇以及結構受力分析。下面以1條52 500 DWT散貨船（A船）和1條7 500 TEU集裝船（B船）為例，介紹其基座設計過程。

1）原船結構形式

A船的煙囪為獨立煙囪型，尺寸為4.8 m×8 m（長×寬）；B船的煙囪與生活樓一體式，涉及輪廓尺寸為7.2 m×10 m（長×寬）。A船跨度較小，可以使用整體式T型梁或工字梁作為基座，也可以設計為離散式基座；而B船跨度較大，整體式的梁易造成梁的尺寸過大，因此最好采用離散式的基座設計。

2）脫硫塔的選型

根據航行水域排水限制條件、經濟性對比、煙氣量的計算和煙囪空間情況，A船采用開環式單塔U型結構脫硫塔，B船采用混合式雙塔結構脫硫塔，考慮到雙塔的大小差異，可以分層布置。

3）改裝布置及吊裝方案

考慮工期和改裝量大小，A船的改裝方案為：船到港前制作一個全新煙囪，將脫硫塔及各管系舾裝件等全部安裝到位；船到港后，割除原煙囪；最后，將新煙囪整體吊裝上船安裝。B船則采用擴建方案：船到港后，拆除原煙囪后壁；然后將預制的結構板架，采用分片吊裝方式上船，待脫硫塔下方的結構、舾裝件及管路安裝到位后，吊裝脫硫塔上船安裝固定；最后將剩余的結構、舾裝件及管路安裝成型。

根據上述1）～3）要求，2條船的基座初步設計方案為：A船選用3根工字鋼作為整體基座支撐脫硫塔，工字鋼與脫硫塔及煙囪壁焊固，工字鋼的尺寸按照固支梁的經典力學公式計算得到，基座形式及尺寸見圖4和圖5；B船適用離散型基座，且底部錐體較高，故采用280C槽鋼，制成離散型的基座放在原船甲板上，其基座及反面加強見圖6和圖7。

圖4 A 船基座結構形式側視圖（單位：mm）

圖5 A 船基座結構形式俯視圖（單位：mm）

圖6 B 船基座結構形側視圖

圖7 B 船基座結構軸視圖（單位：mm）

4）受力分析

由于2條船基座的實際構造和邊界形式與經典力學的典型結構形式不同，采用力學公式或規范計算并不能準確計算其受力情況，因此采用有限元軟件對2條船的基座進行分析，驗證其結構強度。

3 基座強度分析

使用PATRAN&NASTRAN軟件進行對2條船的基座進行有限元析，并說明如下：

1）模型情況

A船對整個煙囪進行模擬（見圖8和圖9），塔身由于要考慮整體吊裝，也一并進行模擬；脫硫塔的重量用質量點代替，煙囪除結構以外的其他舾裝件和管系等重量通過放大質量密度來調整到設計值。B船只對煙囪及周圍區域進行模擬（見圖10和圖11），邊界設在強構件處，脫硫塔及其重量用MPC和質量點模擬；此外，由于煙囪上部結構對基座分析影響不大，故可以省略，其質量以質量點的形式加在間斷處。

圖8 A 船有限元計算模型

圖9 A 船煙囪內部脫硫塔及基座模型

圖10 B 船有限元計算模型

圖11 B 船基座區域模型詳圖

2）拉撐的考慮

脫硫塔自身較為高大，在船舶運動時會發生搖擺晃動，因此需要拉撐將其塔身拉緊穩固，見圖12。拉撐通常有一定的預緊力，并隨著塔身的晃動會拉伸或壓縮。但是，拉撐僅起到晃動的緩沖作用，根據設備商提供的資料，在橫向及縱向運動加速度約4.9 m/s2（即0.5倍重力加速度）情況下的支反力一般不會超過20 kN，遠小于脫硫塔本身的水平慣性力。可見，在對基座進行強度分析時，可以不用考慮拉撐的作用，而且也是偏于安全的。

圖12 拉撐示意圖

3）邊界條件

由于煙囪都是焊固在甲板上或/和生活樓上，因此在其邊界處，即與主船體或生活樓相接處，采用全約束。此外，對于A船，需要考慮吊裝，進行吊裝分析時，需用桿單元模擬鋼絲繩，邊界約束設在鋼絲繩端部且限制其平移自由度，并在質心處約束垂向旋轉自由度。

4）載荷及工況設定

脫硫塔基座一般承受自重和船舶運動產生的慣性力。此外，基座雖然還受熱效應影響，但由于煙氣都是向上流動，且排煙管系均有一定程度的絕緣保護，因此可以忽略不計。

自重一般是在有限元模型上施加重力加速度；對于慣性力，則由水動力軟件或者規范計算得到船舶運動加速度并施加在模型上。本文根據法國船級社（BV）規范[3]對2條船進行加速度的計算，詳見表1和表2。

表1 A船分析工況

表2 B 船分析工況

5）分析結果

經分析，A船在船舶運動載荷工況下的最大應力為102 MPa，小于許用應力211 MPa，出現在基座與煙囪相接的肘板和加強筋上，見圖13。A船在整體吊裝工況下的最大應力為58.9 MPa，小于許用應力117 MPa，出現在基座的支撐橫梁上，見圖14。

圖13 A 船在船舶運動載荷工況下的最大應力云圖

圖14 A 船在吊裝工況下的最大應力云圖

B船在船舶運動載荷工況下的最大應力為90.4 MPa，小于許用應力211 MPa，出現在基座的反面加強筋上。由此可見，2條船的基座強度均滿足要求，見圖15。

圖15 B 船在船舶運動載荷工況下的最大應力云圖

4 結束語

本文通過52 500 DWT散貨船和7 500 TEU集裝船的實際案例，介紹了脫硫塔基座的設計與分析過程，其分析結果表明2條船的基座設計符合要求，相關經驗可供參考。