吴灿，李其晔

（江苏航运职业技术学院船舶与海洋工程系，江苏 南通 226010）

1 概述

近些年来，大量含有SO2的有害气体伴随着着有色金属冶炼排放，对全球大气造成了巨大的污染与酸雨危害。国际海事组织（IMO）根据全球海域范围内船舶的限硫规定，要求其各成员国的船舶积极满足该项要求，进入排放控制区域的海船需于2020 年1 月1 日起，保证其使用的船用燃油硫含量不大于0.5%。我国交通运输部也出台了相关海域的“限硫”规定，以加快船舶脱硫技术的推广和应用。

脱硫塔大多数为薄壁壳体钢结构，可满足除尘、脱硫原理，结合科学管理和安全运行的需要，特别是需要消除爆炸性威胁的气体。出于结构强度的考虑，常规的做法是在筒壁表面设置各向扶强材对结构进行局部加强。在实际的工程应用汇总，塔体与基座如何有效的连接并安装在船舶上是值得深入研究的技术难题。

2 结构概况

本文涉及的大型散货船的脱硫塔主体结构为大型薄壁壳体闭式结构，安装位置为船艉部通过支柱固定于艇甲板，塔体成矩形，长7660mm，宽8355mm，除支柱外总高13800mm。该塔主要由塔体、立柱、料斗、底座组成，另布置有格栅板、垂向扶强材等加强附件。

3 船舶脱硫塔基座的有限元模型

3.1 有限元模型的建立

本文选用MSC 有限元软件对基座结构的强度分析计算。研究的对象为脱硫塔基座，因此有限元计算的建模范围选取脱硫塔的主体外壳与支柱与艇甲板的部分结构，原点取在船舶基线与尾垂线的交点，同主船体坐标系一致。

在模型中，由于喷淋管位于脱硫塔外侧且没有支撑作用，不对其进行结构模拟，将其质量通过修改装置密度的方法赋予塔壁。在塔壁内部有一圈扁钢对除雾器等装置进行支撑，在模型中以质量点多点约束（MPC）的方式将其施加在基座结构上。塔壁、脱硫塔底板与上甲板的受力复杂，同时受到剪力、轴力和弯矩的作用，采用壳（Shell）单元进行模拟，其余结构的尺寸考虑肘板、开孔（小于5cm 的开孔除外）、圆弧连接等细节，尽量按设计图纸的尺寸标注进行建模。

在划分网格时考虑适度的网格数量和网格密度，本文在基座结构的有限元模型建立过程中，采用人工撒种子划分网格。本结构模型中节点数10316，单元14037。

3.2 模型结构的材料属性

在模型中，考虑设计图纸中显示脱硫塔材料使用Q235低碳钢，支柱结构采用Q345 低合金钢。

4 边界约束与载荷施加

脱硫塔基座的约束较为简单，可在基座支柱的底端施加固定约束。此外，结构受到外壳自重、设备重、外部风载荷、船舶摇摆惯性力、甲板载荷等各种载荷的影响，且随着惯性力的变化而变化，因此受力情况较为复杂。其中，如何在没有先行规范的参考下确定风载荷船舶惯性力的关系并进行合理的数值模拟，是载荷研究中最关键的问题。

4.1 结构自重

在软件中，自重载荷以惯性载荷（inertial loads）的方式施加，考虑到建模过程中忽略掉的小孔、附属非承载性的构件与零件（如螺栓、基座排水孔、结构内管道和电缆等），本结构在垂向（Z 向）施加9850mm/s2的惯性载荷。

4.2 设备重量

本船的脱硫塔为单个设备，重24 吨。如图1 所示，模型中在结构的重心位置施加集中载荷，并采用MPC（多点约束）的方式加于圆形基座环形面板上。

图1 MPC 连接

4.3 基座惯性力

基座惯性力的加速度取自于船舶设计信息，使用MPC 连接施加在设备质量重心处，具体数值为：船长方向0.3g，船宽方向0.6g，垂向0.5g,g 为重力加速度系数。

4.4 甲板载荷

甲板载荷以均布载荷的方向施加，根据《材料与焊接规范2015》（DNVGL-RU-SHIP-Pt3Ch4）的说明，取值2.5kN/m2。

4.5 外部压载荷

对于主尺度较大的船舶，需要计及上层建筑的外部压载。根据散货船共同规范CSR-H C4-S5 4.3.1 的要求：

4.6 风载荷

上层建筑的风载荷计算根据共同规范的要求，取值1049.8N/m2。

4.7 工况汇总

表1 载荷汇总表

综上所示，涉及的6 种载荷的具体取值汇总如表1。

在模型载荷的实际施加时，需考虑到各种载荷之间的关系，除自重始终不变之外，选取不同方向的惯性力组合施加，以校核各种危险情况下的强度，本文共选取16 种典型工况。

5 强度计算结果

5.1 许用应力衡准

本课题选用许用应力法进行强度校核，对于多载荷的结构，安全系数取1.11。对于Q235 材料，最大的允许应力212MP；对于Q345 材料，最大的允许应力311MP。

5.2 强度计算结果

根据上述的载荷分析进行加载，可得16 种工况的静力计算结果。基座下方的支柱底端约束处可提取支柱反力。各项正应力结果查看的均为中面力。各工况应力和位移计算结果见图2。

图2 最大应力与位移示意图（LC15）

从结果看出，各工况的最大应力水平均小于许用应力212MPa，满足结构强度要求。脱硫塔四周塔壁的总体应力值都较小，16 种工况中最危险的工况发生在LC15，结构的最大变形为16mm，出现在塔体顶端；最大应力值为136MPa，最大的应力点为基座下方的艇甲板纵桁的面板处，出现的原因可能是由于LC15 中，塔壁外部压载荷与风载的作用方向相同时，叠加效应导致了局部应力较大。

6 结语

与陆用设备的基座受力相比，船用脱硫塔基座除需考虑自重载荷、设备重量、风载，还需考虑船舶运动加速度的影响，即动态与静态的综合作用。本文针对大型船舶上使用的脱硫塔基座进行了建模，参考相近的规范对结构的载荷进行了分析，针对实际情况确定了16 组分析工况，强度计算结果可见本设计满足许用应力要求，其计算过程可对其他船用脱硫塔基座的强度校核提供参考。