張佩

（沈陽遠(yuǎn)大環(huán)境工程有限公司，遼寧 沈陽 110027）

濕法脫硫吸收塔為大型薄壁結(jié)構(gòu)，而吸收塔煙氣入口矩形開孔寬度能達(dá)到塔直徑的60%以上，開孔率較大，開孔部位由于結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到破壞導(dǎo)致開孔邊緣處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了塔體抗彎、抗震能力產(chǎn)生很大程度的削弱[1-2]。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點在大開孔周圍區(qū)域采取相應(yīng)的加強措施，改善開孔邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象顯得尤為重要。本文重點分析在同一工況下對矩形大開孔采取幾種不同的加強措施，通過對比得到有價值的結(jié)論，為實際工程的大開孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 吸收塔模型的建立及荷載施加

1.1 設(shè)計相關(guān)參數(shù)

本文以山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司80 萬t/年球團(tuán)脫硫工程項目為背景，該項目采用直排式濕法脫硫塔，塔體總高約65 m，其中塔體部分高度約41 m，直徑D=7.7 m，鋼煙囪部分約24 m，直徑D1=3.8 m。漿液高度7 m，塔壁厚度隨塔的高度變化而變化，具體壁厚如表1 所示。煙氣進(jìn)口矩形煙道口尺寸為4 500 mm×2 600 mm×6 mm，其中心線與該處塔體法線夾角為20°。對于塔上其他接管及開孔，因尺寸相對較小，對塔體整體穩(wěn)定性影響不大，為方便建模該處，考慮將其忽略不作分析，塔體主要設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表1 各塔段的長度及壁厚單位：mm

表2 主要設(shè)計參數(shù)

1.2 加固方案

根據(jù)GB 150—2011《壓力容器》相關(guān)計算，該處開孔不需加強，因相關(guān)計算公式中涉及風(fēng)荷載及地震荷載的計算比較片面，而風(fēng)和地震2 個荷載組合為影響大開孔處截面穩(wěn)定性的重要因素，因此按該規(guī)范計算顯然不符合實際情況。為此只能通過建立有限元分析模型對幾種常見加固方案進(jìn)行分析，比較各種補強加固方案在受到同一組合荷載作用下對開孔邊緣穩(wěn)定性的加強作用，選出最佳優(yōu)化的加固方案[3]。矩形大開孔補強方案如表3 所示。

表3 矩形大開孔補強方案

1.3 建模及加載

該脫硫塔采用Midas Gen 有限元軟件進(jìn)行建模，脫硫塔結(jié)構(gòu)的壁厚小于典型整體結(jié)構(gòu)尺寸的1/10，且大開孔邊緣受力特性比較復(fù)雜，而板單元具有彎曲和薄壁膜特性，在彎矩、剪力、軸力的傳遞方面有很好的效果，故用板單元進(jìn)行模擬。為了保證各個部位的有效連接，單元劃分網(wǎng)格需保證相鄰網(wǎng)格耦合，網(wǎng)格采取幾何形狀四邊形相結(jié)合，邊長取1.0 m、0.5 m 兩種規(guī)格的尺寸。邊界條件及荷載添加在施加荷載時應(yīng)考慮到塔體的自重、漿液產(chǎn)生的流體壓力、內(nèi)部煙氣流動產(chǎn)生的內(nèi)壓力、各支撐梁的壓力、地震荷載和風(fēng)荷載等荷載的影響[4]。

2 大開孔處有限元分析

在最不利工況組合荷載作用下開孔左右兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值接近材料的許用應(yīng)力，如圖1所示，而煙氣中的二氧化硫遇水成弱酸對壁板具有腐蝕性，壁板如被腐蝕，該處將存在很大的安全隱患，為保證設(shè)備整體的穩(wěn)定性，需對該處做加強處理。

圖1 組合載荷作用下開孔的應(yīng)力云圖

2.1 煙道壁板增厚應(yīng)力分析

對煙氣進(jìn)口煙道2 m 范圍段分別從原有壁厚6 mm增厚至8 mm、10 mm、12 mm，不同煙道壁厚的開孔應(yīng)力云圖如圖2 所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4 所示。

圖2 不同煙道壁厚的開孔應(yīng)力云圖

表4 煙道壁厚增加對應(yīng)的分析值

由圖2、表4 可得，煙道壁厚增加對減小開孔邊緣集中應(yīng)力起到的作用很小，當(dāng)煙道壁厚大于10 mm 時對吸收塔集中應(yīng)力改善效果微小。

2.2 吸收塔壁板增厚應(yīng)力分析

提高開孔段5 m 左右的吸收塔筒體段壁厚，分別設(shè)置為14 mm（初始值）、16 mm、18 mm、20 mm，不同吸收塔壁厚的開孔應(yīng)力云圖如圖3 所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表5 所示。

圖3 不同吸收塔壁厚的開孔應(yīng)力云圖

表5 吸收塔壁厚增加對應(yīng)的分析值

由圖3、表5 可得，吸收塔壁厚增加對減小集中應(yīng)力起到的作用很小，且原材料成本增加較為明顯。

2.3 開孔吸收塔開孔處設(shè)置加強筋查看應(yīng)力變化

對吸收塔入口開孔周圍設(shè)置加強筋，距開孔上下邊緣0.5 m 處設(shè)置兩圈環(huán)形加強圈，側(cè)壁附近分別設(shè)置2 道豎筋（環(huán)筋和豎筋均采用T250×250×12×14 型鋼），開孔內(nèi)部分別設(shè)置2 根立柱（Φ250×12）加固。分析應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力云圖

由圖4 分析模型可知，加固筋加固對開孔處集中應(yīng)力值的大小有明顯改善，組合荷載作用下只增加加強筋加固方式集中應(yīng)力值為72.8 MPa，加固筋加固與煙道壁厚增加相結(jié)合后集中應(yīng)力值為50.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，且此數(shù)值與筒體段其他未開孔位置數(shù)據(jù)相差不大，因此開孔位置不會發(fā)生失效現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

本文以山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司80 萬t/年球團(tuán)脫硫工程項目工程為背景，利用Midas Gen 有限元軟件建立了薄壁直排脫硫塔模型，并對該計算模型煙氣進(jìn)口大開孔位置進(jìn)行靜力分析：對不同的加固方案一一列出對比研究矩形大開孔處板殼結(jié)構(gòu)的集中受力情況，并針對脫硫塔煙氣入口矩形大開孔處應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，最終符合設(shè)計的要求。并得到以下幾點結(jié)論：①從應(yīng)力云圖可以得出，在極限工況組合作用下，脫硫塔煙氣入口矩形大開孔邊緣左右兩側(cè)為應(yīng)力集中區(qū)域；②在極限工況組合作用下，單純地增大煙道壁板或開孔處筒體段壁板的厚度對開孔邊緣處的應(yīng)力集中減小不明顯，且材料成本增加較大明顯；③在極限工況組合作用下，增設(shè)加強筋加固方式對開孔邊緣處的應(yīng)力集中減小比較明顯，在加強筋加固方式下適當(dāng)提高煙道壁板的厚度有助于進(jìn)一步減小集中應(yīng)力的數(shù)值。