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(tǒng)（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(jié)構(gòu)加上內(nèi)部介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(chǎn)物處理均在干狀態(tài)下進行，煙氣進入脫硫塔與脫硫劑逆向流動相混合，脫硫產(chǎn)物呈干態(tài)；濕法脫硫即煙氣進入脫硫塔后經(jīng)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(tài)產(chǎn)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(yōu)點，因此，船用脫硫塔一般采用濕法脫硫。

船用脫硫塔根據(jù)工作原理又可分為：開環(huán)式脫硫塔、閉環(huán)式脫硫塔和混合式脫硫塔[1]。開環(huán)式脫硫塔利用海水泵將海水抽入脫硫塔作為介質(zhì)（海水呈堿性），然后通過塔內(nèi)的噴頭噴出與塔內(nèi)煙氣發(fā)生反應，中和煙氣中的硫化物；脫硫后的煙氣經(jīng)過氣體監(jiān)測系統(tǒng)后排入大氣，而中和了硫化物的海水在經(jīng)過水質(zhì)檢測后排入大海。閉環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)使用。混合式脫硫塔是開環(huán)式和閉環(huán)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(huán)式系統(tǒng)和閉環(huán)式系統(tǒng)，它可以根據(jù)排水區(qū)域限制在開環(huán)式和閉環(huán)式2種模式間相互切換。

從結(jié)構(gòu)型式上講，脫硫塔在船舶的應用中一般有2種結(jié)構(gòu)：單塔結(jié)構(gòu)（見圖1和圖2）和雙塔結(jié)構(gòu)[1]（見圖3）。單塔結(jié)構(gòu)是船上鍋爐和所有發(fā)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(jié)構(gòu)又可以細分為I型和U型。雙塔體結(jié)構(gòu)有2個塔體，可以根據(jù)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(fā)電機煙氣匯集到另一個單獨的塔體完成脫硫。

圖1 單塔結(jié)構(gòu)型式-I型

圖2 單塔結(jié)構(gòu)型式-U型

圖3 雙塔結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)脫硫塔型式和結(jié)構(gòu)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(nèi)；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(jié)構(gòu)形式、脫硫塔的選型、改裝布置及吊裝方案的選擇以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)航行水域排水限制條件、經(jīng)濟性對比、煙氣量的計算和煙囪空間情況，A船采用開環(huán)式單塔U型結(jié)構(gòu)脫硫塔，B船采用混合式雙塔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)板架，采用分片吊裝方式上船，待脫硫塔下方的結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、舾裝件及管路安裝成型。

根據(jù)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(jīng)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(jié)構(gòu)形式側(cè)視圖（單位：mm）

圖5 A 船基座結(jié)構(gòu)形式俯視圖（單位：mm）

圖6 B 船基座結(jié)構(gòu)形側(cè)視圖

圖7 B 船基座結(jié)構(gòu)軸視圖（單位：mm）

4）受力分析

由于2條船基座的實際構(gòu)造和邊界形式與經(jīng)典力學的典型結(jié)構(gòu)形式不同，采用力學公式或規(guī)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(jié)構(gòu)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(zhì)量點代替，煙囪除結(jié)構(gòu)以外的其他舾裝件和管系等重量通過放大質(zhì)量密度來調(diào)整到設計值。B船只對煙囪及周圍區(qū)域進行模擬（見圖10和圖11），邊界設在強構(gòu)件處，脫硫塔及其重量用MPC和質(zhì)量點模擬；此外，由于煙囪上部結(jié)構(gòu)對基座分析影響不大，故可以省略，其質(zhì)量以質(zhì)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(nèi)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(qū)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(fā)生搖擺晃動，因此需要拉撐將其塔身拉緊穩(wěn)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(jù)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?？梢姡趯M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(zhì)心處約束垂向旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(guī)范計算得到船舶運動加速度并施加在模型上。本文根據(jù)法國船級社（BV）規(guī)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(jié)果

經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(jié)果表明2條船的基座設計符合要求，相關(guān)經(jīng)驗可供參考。