脱硫塔大开孔处结构优化

张佩

（沈阳远大环境工程有限公司，辽宁 沈阳 110027）

湿法脱硫吸收塔为大型薄壁结构，而吸收塔烟气入口矩形开孔宽度能达到塔直径的60%以上，开孔率较大，开孔部位由于结构连续性受到破坏导致开孔边缘处出现应力集中现象，从而导致了塔体抗弯、抗震能力产生很大程度的削弱[1-2]。因此在结构设计中重点在大开孔周围区域采取相应的加强措施，改善开孔边缘应力集中现象显得尤为重要。本文重点分析在同一工况下对矩形大开孔采取几种不同的加强措施，通过对比得到有价值的结论，为实际工程的大开孔结构优化提供理论依据。

1 吸收塔模型的建立及荷载施加

1.1 设计相关参数

本文以山东泰山钢铁集团有限公司80 万t/年球团脱硫工程项目为背景，该项目采用直排式湿法脱硫塔，塔体总高约65 m，其中塔体部分高度约41 m，直径D=7.7 m，钢烟囱部分约24 m，直径D1=3.8 m。浆液高度7 m，塔壁厚度随塔的高度变化而变化，具体壁厚如表1 所示。烟气进口矩形烟道口尺寸为4 500 mm×2 600 mm×6 mm，其中心线与该处塔体法线夹角为20°。对于塔上其他接管及开孔，因尺寸相对较小，对塔体整体稳定性影响不大，为方便建模该处，考虑将其忽略不作分析，塔体主要设计参数如表2 所示。

表1 各塔段的长度及壁厚单位：mm

表2 主要设计参数

1.2 加固方案

根据GB 150—2011《压力容器》相关计算，该处开孔不需加强，因相关计算公式中涉及风荷载及地震荷载的计算比较片面，而风和地震2 个荷载组合为影响大开孔处截面稳定性的重要因素，因此按该规范计算显然不符合实际情况。为此只能通过建立有限元分析模型对几种常见加固方案进行分析，比较各种补强加固方案在受到同一组合荷载作用下对开孔边缘稳定性的加强作用，选出最佳优化的加固方案[3]。矩形大开孔补强方案如表3 所示。

表3 矩形大开孔补强方案

1.3 建模及加载

该脱硫塔采用Midas Gen 有限元软件进行建模，脱硫塔结构的壁厚小于典型整体结构尺寸的1/10，且大开孔边缘受力特性比较复杂，而板单元具有弯曲和薄壁膜特性，在弯矩、剪力、轴力的传递方面有很好的效果，故用板单元进行模拟。为了保证各个部位的有效连接，单元划分网格需保证相邻网格耦合，网格采取几何形状四边形相结合，边长取1.0 m、0.5 m 两种规格的尺寸。边界条件及荷载添加在施加荷载时应考虑到塔体的自重、浆液产生的流体压力、内部烟气流动产生的内压力、各支撑梁的压力、地震荷载和风荷载等荷载的影响[4]。

2 大开孔处有限元分析

在最不利工况组合荷载作用下开孔左右两侧产生应力集中，最大应力值接近材料的许用应力，如图1所示，而烟气中的二氧化硫遇水成弱酸对壁板具有腐蚀性，壁板如被腐蚀，该处将存在很大的安全隐患，为保证设备整体的稳定性，需对该处做加强处理。

图1 组合载荷作用下开孔的应力云图

2.1 烟道壁板增厚应力分析

对烟气进口烟道2 m 范围段分别从原有壁厚6 mm增厚至8 mm、10 mm、12 mm，不同烟道壁厚的开孔应力云图如图2 所示，数据统计如表4 所示。

图2 不同烟道壁厚的开孔应力云图

表4 烟道壁厚增加对应的分析值

由图2、表4 可得，烟道壁厚增加对减小开孔边缘集中应力起到的作用很小，当烟道壁厚大于10 mm 时对吸收塔集中应力改善效果微小。

2.2 吸收塔壁板增厚应力分析

提高开孔段5 m 左右的吸收塔筒体段壁厚，分别设置为14 mm（初始值）、16 mm、18 mm、20 mm，不同吸收塔壁厚的开孔应力云图如图3 所示，数据统计如表5 所示。

图3 不同吸收塔壁厚的开孔应力云图

表5 吸收塔壁厚增加对应的分析值

由图3、表5 可得，吸收塔壁厚增加对减小集中应力起到的作用很小，且原材料成本增加较为明显。

2.3 开孔吸收塔开孔处设置加强筋查看应力变化

对吸收塔入口开孔周围设置加强筋，距开孔上下边缘0.5 m 处设置两圈环形加强圈，侧壁附近分别设置2 道竖筋（环筋和竖筋均采用T250×250×12×14 型钢），开孔内部分别设置2 根立柱（Φ250×12）加固。分析应力云图如图4 所示。

图4 应力云图

由图4 分析模型可知，加固筋加固对开孔处集中应力值的大小有明显改善，组合荷载作用下只增加加强筋加固方式集中应力值为72.8 MPa，加固筋加固与烟道壁厚增加相结合后集中应力值为50.8 MPa，远小于材料的许用应力，且此数值与筒体段其他未开孔位置数据相差不大，因此开孔位置不会发生失效现象。

3 结束语

本文以山东泰山钢铁集团有限公司80 万t/年球团脱硫工程项目工程为背景，利用Midas Gen 有限元软件建立了薄壁直排脱硫塔模型，并对该计算模型烟气进口大开孔位置进行静力分析：对不同的加固方案一一列出对比研究矩形大开孔处板壳结构的集中受力情况，并针对脱硫塔烟气入口矩形大开孔处应力集中现象进行结构改进，最终符合设计的要求。并得到以下几点结论：①从应力云图可以得出，在极限工况组合作用下，脱硫塔烟气入口矩形大开孔边缘左右两侧为应力集中区域；②在极限工况组合作用下，单纯地增大烟道壁板或开孔处筒体段壁板的厚度对开孔边缘处的应力集中减小不明显，且材料成本增加较大明显；③在极限工况组合作用下，增设加强筋加固方式对开孔边缘处的应力集中减小比较明显，在加强筋加固方式下适当提高烟道壁板的厚度有助于进一步减小集中应力的数值。