船用脱硫塔基座设计与强度分析

2021-08-18龚伟兵

船舶标准化工程师 2021年4期

龚伟兵

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

随着限硫令的正式实施，作为船舶改装设计中的办法之一的安装脱硫塔废气清洗系统（Exhaust Gas Cleaning System，EGCS），成为大部分航运公司的选择，使得船舶脱硫塔改装市场变得异常火爆。由于脱硫塔一般都比较高大，而且塔身结构加上内部介质通常达70 t左右，大型船舶所配置的脱硫塔甚至超过100 t，因此，需要有合理的基座设计为脱硫塔提供有效的支撑，且不会对原船结构造成破坏。

1 脱硫塔及布置方案概述

船舶的烟气脱硫按工艺可分为干法脱硫和湿法脱硫[1]。干法脱硫指的是烟气的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行，烟气进入脱硫塔与脱硫剂逆向流动相混合，脱硫产物呈干态；湿法脱硫即烟气进入脱硫塔后经过碱性溶液喷淋洗涤，烟气中的硫化物被溶液吸收生成硫酸盐等液态产物。由于后者具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点，因此，船用脱硫塔一般采用湿法脱硫。

船用脱硫塔根据工作原理又可分为：开环式脱硫塔、闭环式脱硫塔和混合式脱硫塔[1]。开环式脱硫塔利用海水泵将海水抽入脱硫塔作为介质（海水呈碱性），然后通过塔内的喷头喷出与塔内烟气发生反应，中和烟气中的硫化物；脱硫后的烟气经过气体监测系统后排入大气，而中和了硫化物的海水在经过水质检测后排入大海。闭环式脱硫塔采用淡水加脱硫剂的方式来处理烟气，其与烟气的作用过程与开环式一致；不同点在于直接参与脱硫的淡水在与烟气反应后进入循环柜，并由里面的水处理单元进行分离，分离出的残渣移入储存柜，而剩下的淡水重新进行循环使用。混合式脱硫塔是开环式和闭环式脱硫塔的一种有机组合，因此其设备配置与组成包括了开环式系统和闭环式系统，它可以根据排水区域限制在开环式和闭环式2种模式间相互切换。

从结构型式上讲，脱硫塔在船舶的应用中一般有2种结构：单塔结构（见图1和图2）和双塔结构[1]（见图3）。单塔结构是船上锅炉和所有发电机都组合在一起，烟气汇集后进入唯一的脱硫塔完成脱硫；单塔结构又可以细分为I型和U型。双塔体结构有2个塔体，可以根据需要进行组合，比如锅炉的烟气进入一个单独的塔体完成脱硫，所有发电机烟气汇集到另一个单独的塔体完成脱硫。

图1 单塔结构型式-I型

图2 单塔结构型式-U型

图3 双塔结构型式

根据脱硫塔型式和结构形式，考虑工期和改装量大小，目前主流的脱硫塔布置分为4种：1）老烟囱整体换新，即将原船烟囱割除，整体新制1个烟囱，将脱硫塔放在新烟囱内；2）烟囱扩建，即原烟囱只作局部切割，并向外延伸一部分用来放置脱硫；3）独立塔房设计，即原烟囱不动，在附近新设1个独立房间来放置脱硫塔，并采用封闭管路进行烟气输送；4）裸塔布置，直接在原烟囱附近露天布置[2]。

2 脱硫塔基座设计

脱硫塔基座的设计需要考虑以下几个方面：原船结构形式、脱硫塔的选型、改装布置及吊装方案的选择以及结构受力分析。下面以1条52 500 DWT散货船（A船）和1条7 500 TEU集装船（B船）为例，介绍其基座设计过程。

1）原船结构形式

A船的烟囱为独立烟囱型，尺寸为4.8 m×8 m（长×宽）；B船的烟囱与生活楼一体式，涉及轮廓尺寸为7.2 m×10 m（长×宽）。A船跨度较小，可以使用整体式T型梁或工字梁作为基座，也可以设计为离散式基座；而B船跨度较大，整体式的梁易造成梁的尺寸过大，因此最好采用离散式的基座设计。

2）脱硫塔的选型

根据航行水域排水限制条件、经济性对比、烟气量的计算和烟囱空间情况，A船采用开环式单塔U型结构脱硫塔，B船采用混合式双塔结构脱硫塔，考虑到双塔的大小差异，可以分层布置。

3）改装布置及吊装方案

考虑工期和改装量大小，A船的改装方案为：船到港前制作一个全新烟囱，将脱硫塔及各管系舾装件等全部安装到位；船到港后，割除原烟囱；最后，将新烟囱整体吊装上船安装。B船则采用扩建方案：船到港后，拆除原烟囱后壁；然后将预制的结构板架，采用分片吊装方式上船，待脱硫塔下方的结构、舾装件及管路安装到位后，吊装脱硫塔上船安装固定；最后将剩余的结构、舾装件及管路安装成型。

根据上述1）～3）要求，2条船的基座初步设计方案为：A船选用3根工字钢作为整体基座支撑脱硫塔，工字钢与脱硫塔及烟囱壁焊固，工字钢的尺寸按照固支梁的经典力学公式计算得到，基座形式及尺寸见图4和图5；B船适用离散型基座，且底部锥体较高，故采用280C槽钢，制成离散型的基座放在原船甲板上，其基座及反面加强见图6和图7。

图4 A 船基座结构形式侧视图（单位：mm）

图5 A 船基座结构形式俯视图（单位：mm）

图6 B 船基座结构形侧视图

图7 B 船基座结构轴视图（单位：mm）

4）受力分析

由于2条船基座的实际构造和边界形式与经典力学的典型结构形式不同，采用力学公式或规范计算并不能准确计算其受力情况，因此采用有限元软件对2条船的基座进行分析，验证其结构强度。

3 基座强度分析

使用PATRAN&NASTRAN软件进行对2条船的基座进行有限元析，并说明如下：

1）模型情况

A船对整个烟囱进行模拟（见图8和图9），塔身由于要考虑整体吊装，也一并进行模拟；脱硫塔的重量用质量点代替，烟囱除结构以外的其他舾装件和管系等重量通过放大质量密度来调整到设计值。B船只对烟囱及周围区域进行模拟（见图10和图11），边界设在强构件处，脱硫塔及其重量用MPC和质量点模拟；此外，由于烟囱上部结构对基座分析影响不大，故可以省略，其质量以质量点的形式加在间断处。

图8 A 船有限元计算模型

图9 A 船烟囱内部脱硫塔及基座模型

图10 B 船有限元计算模型

图11 B 船基座区域模型详图

2）拉撑的考虑

脱硫塔自身较为高大，在船舶运动时会发生摇摆晃动，因此需要拉撑将其塔身拉紧稳固，见图12。拉撑通常有一定的预紧力，并随着塔身的晃动会拉伸或压缩。但是，拉撑仅起到晃动的缓冲作用，根据设备商提供的资料，在横向及纵向运动加速度约4.9 m/s2（即0.5倍重力加速度）情况下的支反力一般不会超过20 kN，远小于脱硫塔本身的水平惯性力。可见，在对基座进行强度分析时，可以不用考虑拉撑的作用，而且也是偏于安全的。