VLCC脫硫塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

郭永升， 李同蘭， 韓 方， 董明海， 黃帥鵬， 李 云

(1.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心， 浙江 舟山316021；2.舟山市卓林船舶設(shè)計有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學院， 浙江 舟山 316021；4.舟山長宏國際船舶修造有限公司， 浙江 舟山 316052)

0 引 言

國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)海上環(huán)境保護委員會第73屆會議于2018 年10 月在倫敦召開，會上已確認自2020 年1 月1日起，全球區(qū)域內(nèi)船舶所用燃油含硫量(質(zhì)量分數(shù))低于0.5%的限制不會發(fā)生變化，直接導致航運業(yè)內(nèi)加速應對。目前，業(yè)內(nèi)應對日趨嚴格的硫氧化物排放限制主要采取使用低硫燃料油、采用清潔能源液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料代替燃油和加裝船舶廢氣洗滌系統(tǒng)(脫硫塔)等3種措施[1]。

使用低硫燃料油受制于國際油價的波動，且低硫油存在產(chǎn)量不高和價格較貴的問題，大范圍推廣難度較大。使用LNG 燃料存在天然氣加注、改裝空間受限及船舶續(xù)航力小的問題，采用該途徑具有改裝難度較大、初期投資較高的問題，也不利于大范圍推廣[2]。加裝廢氣洗滌系統(tǒng)的船舶則可繼續(xù)使用現(xiàn)行含硫量較高的重質(zhì)燃料油(Heavy Fuel Oil， HFO)，主機排出的廢氣經(jīng)過脫硫塔處理后，滿足IMO對硫氧化物的排放限制，且采用新增脫硫塔的方法具有對改裝空間要求不高、不影響船舶原有續(xù)航力、可靠性強、初期投入可接受等諸多優(yōu)點，因此通過加裝脫硫塔清洗系統(tǒng)來滿足IMO的要求受到大多數(shù)船舶所有人的青睞。根據(jù)挪威船級社(DNV GL)在2018 年12 月發(fā)布的脫硫塔統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前有2 553 艘船確認已安裝或計劃安裝脫硫塔[3]，后續(xù)脫硫塔改裝訂單還在迅速增加，市場需求巨大。

1 脫硫塔改裝設(shè)計項目概述

目標改裝項目是一艘320 000 t超大型油船(Very Large Crude Carrier， VLCC),總長為333.0 m,型寬為60.0 m,型深為30.5 m,設(shè)計吃水為21.0 m, 結(jié)構(gòu)吃水為22.5 m, 服務(wù)航速為15.9 kn (結(jié)構(gòu)吃水),入級勞氏船級社(LR)。船舶廢氣清洗系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)[4]。根據(jù)船舶所有人意向在該船尾部機艙棚區(qū)域安裝1套開式U形脫硫洗滌塔系統(tǒng)，該U形塔的干重為16.9 t,濕重為18.4 t,濕重心(相對坐標)為x=FR 7+3 400 mm,y=1 900 mm,z=41 550 mm。

2 改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

首先，根據(jù)實船機艙和機艙棚設(shè)備及管系布置情況完成初步改裝方案設(shè)計。初步方案主要包括脫硫塔選型、脫硫塔初步布置圖、主管線走向和改裝結(jié)構(gòu)的范圍等。其次，了解機艙和機艙棚區(qū)域的各種設(shè)備、電纜、管路布置情況。通常運營船舶機艙的完工設(shè)備和管線交錯布置較復雜，難以得到與實船布置一致的三維模型，需用3D掃描設(shè)備對整個機艙和機艙棚進行掃描，生成3D點云掃描數(shù)據(jù)模型，作為下一步出具改裝可行性報告的重要依據(jù)。接著，在準確獲取機艙及機艙棚3D點云掃描數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上對初步改裝方案進行調(diào)整，結(jié)合圖紙和實船情況，規(guī)避與原船結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管線的干涉，完成改裝可行性報告。然后，根據(jù)修改定稿的改裝方案和可行性報告開展各專業(yè)的詳細設(shè)計，確定各專業(yè)需要設(shè)繪的圖紙目錄，制訂出圖計劃，完成圖紙及文件的送退審工作。最后，生產(chǎn)設(shè)計各專業(yè)根據(jù)船級社退審圖紙和文件完成細化生產(chǎn)設(shè)計工作。針對運營船舶的脫硫洗滌塔改裝流程如圖1所示。

圖1 脫硫塔改裝設(shè)計流程

2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

改裝詳細設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于原船系統(tǒng)實際布置情況、原船結(jié)構(gòu)圖紙、3D點云模型等重要輸入條件，結(jié)合洗滌塔外形尺寸、機電專業(yè)管線布置空間需求，以定稿的改裝方案(見圖2)為大致范圍開展結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計。圖3所示為新煙囪結(jié)構(gòu)輪廓尺寸圖，根據(jù)定稿的改裝方案簡圖，結(jié)合原船煙囪、下沉甲板結(jié)構(gòu)和下沉甲板舾裝設(shè)備的布置情況，確定:(1)新煙囪只設(shè)置2層平臺，即主甲板平臺和脫硫塔基座平臺，主甲板平臺用于布置空壓機、消防設(shè)備等，脫硫塔基座平臺主要承載塔體；(2)新煙囪的底板垂向位置與主甲板同高，底板輪廓尺寸為6 800 mm×11 400 mm；(3)脫硫塔基座平臺設(shè)在36 400 A/B (根據(jù)設(shè)備商要求，廢液收集直管段長度不小于4 m)；(4)新煙囪頂板首端與原煙囪51 100 A/B 水平強框架對接；(5)自脫硫塔基座平臺到新煙囪頂共設(shè)置39 600 A/B、42 500 A/B、45 400 A/B、48 300 A/B 共4層水平強框架與原煙囪水平強框架對接；(6)新煙囪外圍壁為左右后等3面非密封結(jié)構(gòu)，首端不設(shè)圍壁，與原煙囪后壁連接；(7)新煙囪左右圍壁在原機艙棚頂部 39 600 A/B 以上順著原煙囪向船中收縮，在原機艙棚頂部 39 600 A/B以下的側(cè)壁則垂直于機艙棚后壁；(8)在下沉甲板至主甲板之間設(shè)置4根H形強力支柱，且全部布置在FR 7 (強力支柱的布置位置充分考慮了與舾裝設(shè)備件的干涉問題)；(9)下沉甲板FR 7強橫梁框架加 2根H形強支柱至舵機平臺。

圖2 脫硫塔布置方案簡圖

圖3 新煙囪結(jié)構(gòu)輪廓尺寸圖

2.3 結(jié)構(gòu)細化設(shè)計

在確定上述結(jié)構(gòu)方案設(shè)計后，需進行結(jié)構(gòu)細化設(shè)計，非特殊情況一般沿用原船3向檔距。在細節(jié)設(shè)計過程中重點解決如下問題：(1)新煙囪后圍板上的力如何傳遞至主甲板與下沉甲板之間新設(shè)置的支柱上；(2)脫硫塔基座平臺怎樣承載脫硫塔；(3)新煙囪4層水平強框架與原煙囪水平框架的結(jié)構(gòu)如何對接。按板架邊界范圍將整個新煙囪自下而上劃分為主甲板板架(包含4根強立柱)、脫硫塔基座平臺板架、煙囪后圍壁板架、煙囪左右圍壁板架、39 600 A/B以上4層水平強框架、煙囪頂板架等10個單元結(jié)構(gòu)，逐一完成區(qū)域內(nèi)所有結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、規(guī)格、尺寸和連接形式等的定義。

2.3.1 主甲板板架的結(jié)構(gòu)細化設(shè)計

先根據(jù)歐拉公式[5]計算壓桿的臨界應力，計算立柱最小剖面模數(shù)。參考原煙囪結(jié)構(gòu)尺寸，預估新煙囪結(jié)構(gòu)及脫硫塔工作質(zhì)量為160 t,完成立柱的截面選型設(shè)計，確定立柱規(guī)格為H 400×14/400×18A。再進行主甲板縱橫向結(jié)構(gòu)布置，如圖4所示：在L 0/L 3/L 5位置左右舷對稱布置5根連續(xù)的甲板縱桁；在FR 9/FR 11/FR 13肋位布置強橫梁，強橫梁遇縱桁斷開；其余縱橫檔位和肋位布置普通甲板骨材，普通橫梁遇縱骨斷開；甲板板厚、強桁材和普通骨材規(guī)格均按LR 2018規(guī)范[6]計算。為維持甲板下方縱橫結(jié)構(gòu)端部與外圍壁之間力的傳遞，按LR 2018規(guī)范計算，甲板邊緣設(shè)置500×15/300×20A的連續(xù)T排。重點注意連續(xù)T排遇新煙囪后壁的強力支柱的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，最終優(yōu)選圖4中UD-1節(jié)點圖的T排插入H形支柱的設(shè)計，為避免應力集中,H形支柱尾端面板采用軟趾設(shè)計、H形支柱首端腹板和面板采用圓弧過渡到甲板縱桁，采用此組合結(jié)構(gòu)，能減少后期焊接工作量。

主甲板結(jié)構(gòu)其他次要細節(jié)設(shè)計此處不作贅述。

圖4 新煙囪主甲板結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 脫硫塔基座平臺板架結(jié)構(gòu)細化設(shè)計

如圖5所示，該平臺結(jié)構(gòu)的主要作用是承載脫硫塔，平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計基于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性原則，圍繞脫硫塔基座開展。先確定脫硫塔基座中心位置(根據(jù)定稿的方案位置)，圖5中圓孔是以脫硫塔基座中心為圓心，開孔半徑充分考慮污水收集管安裝空間后確定。然后，以脫硫塔基座中心為圓心，布置脫硫塔基座。再以脫硫塔基座為中心，基于結(jié)構(gòu)連續(xù)性原則，在左舷L 0/L 3/L 5位置布置3根平臺縱桁，縱桁L 0和L 5為連續(xù)結(jié)構(gòu)，受脫硫塔基座重心位置限制，L 3縱桁需設(shè)計成折彎走向，根據(jù)脫硫塔濕重結(jié)合LR 2018規(guī)范對梁的選型計算確定該平臺縱桁的規(guī)格為300×180×12×16A。在FR 9/FR 11/FR 13肋位布置強橫梁,為避免FR 11強橫梁與污水收集管干涉，設(shè)計成斷開結(jié)構(gòu)，依據(jù)LR 2018規(guī)范中對梁的選型計算確定該平臺強橫梁的規(guī)格為300×150×12×14A。其余縱橫檔位和肋位布置普通甲板骨材，普通橫梁遇縱骨斷開，甲板板厚、強桁材和普通骨材規(guī)格均按LR 2018規(guī)范計算。在該平臺右舷無設(shè)備布置，開5 400 mm×3 100 mm的長方形孔，預留舾裝專業(yè)布置斜梯。因船舶航行過程中存在縱向加速情況，原機艙棚后壁在A甲板900 mm的高度無水平強框架，需增加水平強框架與脫硫塔平臺水平對應，選用腹板高度與原機艙棚后壁垂向桁材一致，板厚及面板規(guī)格依據(jù)LR 2018規(guī)范計算確定。為改善脫硫塔基座根部區(qū)域附近處應力集中情況，以基座中心為圓心，沿基座外側(cè)圓弧對稱均勻設(shè)置16個BK 320×15A的基座軟趾肘板，肘板下方對應設(shè)置肘板加強。平臺結(jié)構(gòu)其他細節(jié)設(shè)計此處不作贅述。

圖5 脫硫塔平臺結(jié)構(gòu)圖

2.3.3 煙囪后圍壁、左右圍壁板架和39 600 A/B以上4層水平強框架結(jié)構(gòu)細化設(shè)計

如圖6所示：根據(jù)新煙囪主甲板和脫硫塔基座平臺主要縱桁和強橫梁的布置確定煙囪圍壁板架上主要垂向T排的分布位置，其余位置布置普通垂直扶強材；考慮脫硫塔的濕重量，根據(jù)LR 2018規(guī)范對脫硫塔平臺至主甲板之間的圍壁垂向強桁材、普通扶強材和外圍壁板厚進行選型計算，初步選定垂直強桁材規(guī)格為350×200×14×18A、普通垂直扶強材規(guī)格為150×90×9A，外圍壁板厚8 mm。脫硫塔平臺以上煙囪圍壁的垂直桁材和普通垂直扶強材的規(guī)格、外圍壁板的厚度均可以參照原煙囪規(guī)格選型或根據(jù)LR 2018規(guī)范計算選型。39 600 A/B以上4層水平強框架結(jié)構(gòu)的腹板和面板選型可參照原煙囪與各層對應強框架的結(jié)構(gòu)尺寸。其余結(jié)構(gòu)細節(jié)較為簡單，此處不作贅述。

圖6 脫硫塔新煙囪后圍壁結(jié)構(gòu)圖

2.3.4 新煙囪頂板架結(jié)構(gòu)細化設(shè)計

如圖7所示，新煙囪頂板架為傾斜面，首端與原煙囪后壁51 100 A/B強框架對位，尾端高度為48 300 A/B+1 400 mm。先確定頂甲板L 0/L 3/L -3布置3根連續(xù)縱桁，F(xiàn)R 9/F 11/FR 13布置3根強橫梁，其余檔位布置普通縱骨和橫梁。頂甲板板厚、縱桁和強橫梁規(guī)格選型計算按LR 2018規(guī)范中露天甲板相關(guān)規(guī)定選取。

圖7 新煙囪頂甲板結(jié)構(gòu)圖

3 改裝結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 有限元建模

依據(jù)新煙囪結(jié)構(gòu)圖和LR 2018規(guī)范中有限元模型的規(guī)定，扣除腐蝕裕量后，新煙囪結(jié)構(gòu)采用凈板厚建模。單元格的基準尺寸為200 mm×200 mm。采用板單元和梁單元對結(jié)構(gòu)進行建模。為準確模擬脫硫塔對基座的作用力，采用剛性單元多點約束(Multi-Point Constraint, MPC)法模擬施加載荷。模型中使用的坐標系為笛卡爾右手坐標系，定義:x軸為縱向，正向為從艉向艏；y軸為橫向，正向為船中向左舷；z軸為垂向，正向為基線向甲板。根據(jù)LR 2018規(guī)范，A級鋼的彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3，A級鋼的極限屈服應力[σ]= 235 MPa，極限剪切應力[τ]=0.58[σ]=136.3 MPa。新煙囪結(jié)構(gòu)有限元模型如圖8所示。

圖8 新煙囪結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 約束和載荷工況

對新煙囪與原煙囪焊接邊進行6個自由度的約束，新煙囪FR 7處與下沉甲板焊接的4根支柱進行6個自由度的約束(圖略)。

根據(jù)第1節(jié)脫硫塔濕重和重心，重量系數(shù)取K=1.2，計算濕重為Wc=18.4 t×1.2=22.08 t,根據(jù)LR 2018規(guī)范第十部分第二章對油船的規(guī)定，求得該船在航行時滿載和常規(guī)壓載2個工況下的x、y、z3個方向的加速度，如表1所示。

表1 2個壓載工況的加速度匯總 m/s2

對表1的2個工況中各向加速度取最大值，脫硫塔對基座的作用力計算如表2所示。

表2 脫硫塔對基座的作用力匯總

得出迎浪和橫浪作用下的組合工況LC 1和LC 2如表3所示。

表3 迎浪和橫浪工況組合

LC 1和LC 2載荷工況在脫硫塔基座平臺加載如圖9和圖10所示。

圖9 工況LC 1(Fy+Fz) 計算工況

圖10 工況LC 2(Fx+Fz) 計算工況

3.3 分析結(jié)果

對LC 1和LC 2工況進行分析發(fā)現(xiàn)變形最大的部位均出現(xiàn)在脫硫塔基座底部的縱桁上，且在LC 1工況下型材的組合應力超過材料剪切許用應力，在LC 2工況下型材的合成應力也較大，分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 LC 1和LC 2工況結(jié)構(gòu)應力和變形情況匯總

4 改裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 脫硫塔基座平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)圖9、圖10和表4可判斷：主甲板下方4根支柱強度和剛度足夠，煙囪外圍壁板強度足夠，煙囪垂直扶強材強度足夠，除了脫硫塔基座平臺以外的各平臺和水平強框架強度足夠；結(jié)構(gòu)位移響應最大的位置和型材合成應力最大的位置均出現(xiàn)在脫硫塔基座平臺下方的型材上。脫硫塔基座平臺下方的縱桁是該平臺的強力構(gòu)件，原規(guī)格(L 0/L 1/L 3均為T 300×180×12×16)偏小，須提高該平臺的剛度和強度，可直接對縱桁尺寸規(guī)格進行優(yōu)化。利用現(xiàn)有模型直接調(diào)整T型材的規(guī)格，多次重新加載計算。

4.2 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強度復核

根據(jù)第4.1節(jié)，其縱桁L 0和L 1結(jié)構(gòu)規(guī)格調(diào)整為T 400×200×14×18；縱桁L 3結(jié)構(gòu)規(guī)格調(diào)整為T 400×200×15×20，基于LC 1工況對型材合成應力及結(jié)構(gòu)位移進行復核。調(diào)整前后的型材合成應力分布細節(jié)如圖11和圖12所示。

圖11 優(yōu)化前的型材應力分布云圖

圖12 優(yōu)化后的型材應力分布云圖

復核分析結(jié)果顯示，脫硫塔基座平臺的型材最大合成應力由結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理前的184 MPa降至優(yōu)化后的133.7 MPa,最大位移由優(yōu)化前的4.57 mm減小至優(yōu)化后的3.89 mm。型材合成應力小于許用剪切應力，新煙囪整體結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

脫硫塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計是脫硫塔原船系統(tǒng)改造過程中重要的設(shè)計環(huán)節(jié)之一，對改裝后的脫硫塔是否能正常工作起到關(guān)鍵支持作用，對改裝成本、改裝周期產(chǎn)生直接影響。船體設(shè)計師在進行脫硫塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時應注意以下幾點：

(1) 遵循結(jié)構(gòu)的連續(xù)性原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計布置盡可能避開原船設(shè)備，余留足夠的設(shè)備操作空間；

(3) 構(gòu)件規(guī)格尺寸的選型設(shè)計依據(jù)適應規(guī)范進行；

(4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計須考慮后續(xù)施工的工藝性；

(5) 在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，避免結(jié)構(gòu)過剩；

(6) 脫硫洗滌塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計須考慮其在波浪動載荷工況下3向加速度對基座平臺的影響；

(7) 結(jié)構(gòu)選型采用規(guī)范計算與有限元分析結(jié)合的方式既能提高設(shè)計效率又能提高結(jié)構(gòu)安全性。