基于MSC 軟件的大型船舶脫硫塔基座總體強度分析

吳燦，李其曄

（江蘇航運職業技術學院船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010）

1 概述

近些年來，大量含有SO2的有害氣體伴隨著著有色金屬冶煉排放，對全球大氣造成了巨大的污染與酸雨危害。國際海事組織（IMO）根據全球海域范圍內船舶的限硫規定，要求其各成員國的船舶積極滿足該項要求，進入排放控制區域的海船需于2020 年1 月1 日起，保證其使用的船用燃油硫含量不大于0.5%。我國交通運輸部也出臺了相關海域的“限硫”規定，以加快船舶脫硫技術的推廣和應用。

脫硫塔大多數為薄壁殼體鋼結構，可滿足除塵、脫硫原理，結合科學管理和安全運行的需要，特別是需要消除爆炸性威脅的氣體。出于結構強度的考慮，常規的做法是在筒壁表面設置各向扶強材對結構進行局部加強。在實際的工程應用匯總，塔體與基座如何有效的連接并安裝在船舶上是值得深入研究的技術難題。

2 結構概況

本文涉及的大型散貨船的脫硫塔主體結構為大型薄壁殼體閉式結構，安裝位置為船艉部通過支柱固定于艇甲板，塔體成矩形，長7660mm，寬8355mm，除支柱外總高13800mm。該塔主要由塔體、立柱、料斗、底座組成，另布置有格柵板、垂向扶強材等加強附件。

3 船舶脫硫塔基座的有限元模型

3.1 有限元模型的建立

本文選用MSC 有限元軟件對基座結構的強度分析計算。研究的對象為脫硫塔基座，因此有限元計算的建模范圍選取脫硫塔的主體外殼與支柱與艇甲板的部分結構，原點取在船舶基線與尾垂線的交點，同主船體坐標系一致。

在模型中，由于噴淋管位于脫硫塔外側且沒有支撐作用，不對其進行結構模擬，將其質量通過修改裝置密度的方法賦予塔壁。在塔壁內部有一圈扁鋼對除霧器等裝置進行支撐，在模型中以質量點多點約束（MPC）的方式將其施加在基座結構上。塔壁、脫硫塔底板與上甲板的受力復雜，同時受到剪力、軸力和彎矩的作用，采用殼（Shell）單元進行模擬，其余結構的尺寸考慮肘板、開孔（小于5cm 的開孔除外）、圓弧連接等細節，盡量按設計圖紙的尺寸標注進行建模。

在劃分網格時考慮適度的網格數量和網格密度，本文在基座結構的有限元模型建立過程中，采用人工撒種子劃分網格。本結構模型中節點數10316，單元14037。

3.2 模型結構的材料屬性

在模型中，考慮設計圖紙中顯示脫硫塔材料使用Q235低碳鋼，支柱結構采用Q345 低合金鋼。

4 邊界約束與載荷施加

脫硫塔基座的約束較為簡單，可在基座支柱的底端施加固定約束。此外，結構受到外殼自重、設備重、外部風載荷、船舶搖擺慣性力、甲板載荷等各種載荷的影響，且隨著慣性力的變化而變化，因此受力情況較為復雜。其中，如何在沒有先行規范的參考下確定風載荷船舶慣性力的關系并進行合理的數值模擬，是載荷研究中最關鍵的問題。

4.1 結構自重

在軟件中，自重載荷以慣性載荷（inertial loads）的方式施加，考慮到建模過程中忽略掉的小孔、附屬非承載性的構件與零件（如螺栓、基座排水孔、結構內管道和電纜等），本結構在垂向（Z 向）施加9850mm/s2的慣性載荷。

4.2 設備重量

本船的脫硫塔為單個設備，重24 噸。如圖1 所示，模型中在結構的重心位置施加集中載荷，并采用MPC（多點約束）的方式加于圓形基座環形面板上。

圖1 MPC 連接

4.3 基座慣性力

基座慣性力的加速度取自于船舶設計信息，使用MPC 連接施加在設備質量重心處，具體數值為：船長方向0.3g，船寬方向0.6g，垂向0.5g,g 為重力加速度系數。

4.4 甲板載荷

甲板載荷以均布載荷的方向施加，根據《材料與焊接規范2015》（DNVGL-RU-SHIP-Pt3Ch4）的說明，取值2.5kN/m2。

4.5 外部壓載荷

對于主尺度較大的船舶，需要計及上層建筑的外部壓載。根據散貨船共同規范CSR-H C4-S5 4.3.1 的要求：

4.6 風載荷

上層建筑的風載荷計算根據共同規范的要求，取值1049.8N/m2。

4.7 工況匯總

表1 載荷匯總表

綜上所示，涉及的6 種載荷的具體取值匯總如表1。

在模型載荷的實際施加時，需考慮到各種載荷之間的關系，除自重始終不變之外，選取不同方向的慣性力組合施加，以校核各種危險情況下的強度，本文共選取16 種典型工況。

5 強度計算結果

5.1 許用應力衡準

本課題選用許用應力法進行強度校核，對于多載荷的結構，安全系數取1.11。對于Q235 材料，最大的允許應力212MP；對于Q345 材料，最大的允許應力311MP。

5.2 強度計算結果

根據上述的載荷分析進行加載，可得16 種工況的靜力計算結果。基座下方的支柱底端約束處可提取支柱反力。各項正應力結果查看的均為中面力。各工況應力和位移計算結果見圖2。

圖2 最大應力與位移示意圖（LC15）

從結果看出，各工況的最大應力水平均小于許用應力212MPa，滿足結構強度要求。脫硫塔四周塔壁的總體應力值都較小，16 種工況中最危險的工況發生在LC15，結構的最大變形為16mm，出現在塔體頂端；最大應力值為136MPa，最大的應力點為基座下方的艇甲板縱桁的面板處，出現的原因可能是由于LC15 中，塔壁外部壓載荷與風載的作用方向相同時，疊加效應導致了局部應力較大。

6 結語

與陸用設備的基座受力相比，船用脫硫塔基座除需考慮自重載荷、設備重量、風載，還需考慮船舶運動加速度的影響，即動態與靜態的綜合作用。本文針對大型船舶上使用的脫硫塔基座進行了建模，參考相近的規范對結構的載荷進行了分析，針對實際情況確定了16 組分析工況，強度計算結果可見本設計滿足許用應力要求，其計算過程可對其他船用脫硫塔基座的強度校核提供參考。