脫硫塔大開孔處結構優化

張佩

（沈陽遠大環境工程有限公司，遼寧 沈陽 110027）

濕法脫硫吸收塔為大型薄壁結構，而吸收塔煙氣入口矩形開孔寬度能達到塔直徑的60%以上，開孔率較大，開孔部位由于結構連續性受到破壞導致開孔邊緣處出現應力集中現象，從而導致了塔體抗彎、抗震能力產生很大程度的削弱[1-2]。因此在結構設計中重點在大開孔周圍區域采取相應的加強措施，改善開孔邊緣應力集中現象顯得尤為重要。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論，為實際工程的大開孔結構優化提供理論依據。

1 吸收塔模型的建立及荷載施加

1.1 設計相關參數

本文以山東泰山鋼鐵集團有限公司80 萬t/年球團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，塔體主要設計參數如表2 所示。

表1 各塔段的長度及壁厚單位：mm

表2 主要設計參數

1.2 加固方案

根據GB 150—2011《壓力容器》相關計算，該處開孔不需加強，因相關計算公式中涉及風荷載及地震荷載的計算比較片面，而風和地震2 個荷載組合為影響大開孔處截面穩定性的重要因素，因此按該規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定性的加強作用，選出最佳優化的加固方案[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 有限元軟件進行建模，脫硫塔結構的壁厚小于典型整體結構尺寸的1/10，且大開孔邊緣受力特性比較復雜，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，故用板單元進行模擬。為了保證各個部位的有效連接，單元劃分網格需保證相鄰網格耦合，網格采取幾何形狀四邊形相結合，邊長取1.0 m、0.5 m 兩種規格的尺寸。邊界條件及荷載添加在施加荷載時應考慮到塔體的自重、漿液產生的流體壓力、內部煙氣流動產生的內壓力、各支撐梁的壓力、地震荷載和風荷載等荷載的影響[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產生應力集中，最大應力值接近材料的許用應力，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，為保證設備整體的穩定性，需對該處做加強處理。

圖1 組合載荷作用下開孔的應力云圖

2.1 煙道壁板增厚應力分析

對煙氣進口煙道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力云圖如圖2 所示，數據統計如表4 所示。

圖2 不同煙道壁厚的開孔應力云圖

表4 煙道壁厚增加對應的分析值

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

2.2 吸收塔壁板增厚應力分析

提高開孔段5 m 左右的吸收塔筒體段壁厚，分別設置為14 mm（初始值）、16 mm、18 mm、20 mm，不同吸收塔壁厚的開孔應力云圖如圖3 所示，數據統計如表5 所示。

圖3 不同吸收塔壁厚的開孔應力云圖

表5 吸收塔壁厚增加對應的分析值

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

2.3 開孔吸收塔開孔處設置加強筋查看應力變化

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

圖4 應力云圖

由圖4 分析模型可知，加固筋加固對開孔處集中應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力值為72.8 MPa，加固筋加固與煙道壁厚增加相結合后集中應力值為50.8 MPa，遠小于材料的許用應力，且此數值與筒體段其他未開孔位置數據相差不大，因此開孔位置不會發生失效現象。

3 結束語

本文以山東泰山鋼鐵集團有限公司80 萬t/年球團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口大開孔位置進行靜力分析：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構的集中受力情況，并針對脫硫塔煙氣入口矩形大開孔處應力集中現象進行結構改進，最終符合設計的要求。并得到以下幾點結論：①從應力云圖可以得出，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為應力集中區域；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，增設加強筋加固方式對開孔邊緣處的應力集中減小比較明顯，在加強筋加固方式下適當提高煙道壁板的厚度有助于進一步減小集中應力的數值。