循環(huán)流化床煙氣脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)與應(yīng)力校核*

陳 榮

(中冶華天工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 210019)

引 言

隨著國家推進(jìn)鋼鐵行業(yè)超低排放改造的持續(xù)進(jìn)行，循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)以其工藝流程簡單，脫硫效率高，投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，適應(yīng)性好，不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。作為核心工藝設(shè)備的吸收塔屬于薄壁高聳塔式結(jié)構(gòu)，規(guī)范《鋼制塔式容器標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T4710-2005)僅適用于裙座自支承塔器的設(shè)計(jì)計(jì)算，而吸收塔一般采用鋼結(jié)構(gòu)框架支承，不適用于此規(guī)范計(jì)算，本文通過一個(gè)工程實(shí)例探索此類塔型容器的設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核方法。

1 設(shè)計(jì)與應(yīng)力校核

1.1 基本設(shè)計(jì)條件及受力分析

設(shè)置地區(qū)基本風(fēng)壓值q0=600 N/m2；地震烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g；場地土類型為II類場地，地震分組為第一組；地面粗糙度為B類；基本雪壓為0 kN/m2,吸收塔底部直徑為5100 mm，直筒段直徑為10000 mm，吸收塔方形頂部尺寸為8900×8900 mm，高度為9700 mm，吸收塔外表面附有200 mm厚的保溫層，保溫層密度按150 kg/m3計(jì)算，吸收塔內(nèi)壁附著物厚度按100 mm考慮，密度按1300 kg/m3計(jì)算，按吸收塔支座設(shè)置在35.3 m位置,脫硫塔總高度為63.83 m。吸收塔設(shè)計(jì)壓力為-6000 Pa，設(shè)計(jì)溫度為150 ℃，鋼板腐蝕余量為2.5 mm，鋼板負(fù)公差為0.5 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取直徑為5100 mm的筒體有效厚度δe1=7 mm，直徑10000 mm筒體有效厚度δe2=9 mm，吸收塔方形頂部有效厚度δe3=5 mm，錐段的有效厚度按大直徑計(jì)算。

吸收塔筒體設(shè)計(jì)須考慮吸收塔自重，附屬設(shè)備自重,風(fēng)載荷和地震載荷,吸收塔內(nèi)的積垢載荷,偏心載荷等因素的影響。

如圖1所示，將吸收塔沿高度方向劃分為8個(gè)截面，且在支座V-V截面處劃分為上、下兩部分：V-V截面以上部分(包括m6-m9段及偏心段me段)，V-V截面以下部分(包括m2-m5段)。A處為V-V截面以上部分的應(yīng)力集中點(diǎn)，主要受筒體風(fēng)彎矩(或地震彎矩)以及偏心質(zhì)點(diǎn)的彎矩導(dǎo)致的軸向壓應(yīng)力，筒體自重形成的軸向壓應(yīng)力，負(fù)壓形成的軸向壓應(yīng)力；B處為V-V截面以下部分的應(yīng)力集中點(diǎn)，主要受筒體風(fēng)彎矩(或地震彎矩)形成的軸向拉應(yīng)力，筒體自重生成的軸向拉應(yīng)力，負(fù)壓形成的軸向壓應(yīng)力。

圖1 吸收塔多質(zhì)點(diǎn)體系示意圖

1.2 各段重量計(jì)算

根據(jù)《鋼制塔式容器標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T4710-2005)，對(duì)圖1中的每段操作質(zhì)量mi(i=2-9)進(jìn)行計(jì)算，公式如下

mi=mi,01+mi,02+mi,03+mi,a+mi,θ

式中mi為第i段塔體的操作質(zhì)量；mi,01為塔殼質(zhì)量；mi,02為塔內(nèi)結(jié)垢質(zhì)量；mi,03為保溫材料重量；mi,a為人孔接管法蘭重量；mi,e為第i段偏心重量。

把吸收塔分兩部分，支座上部分質(zhì)量如表1所示，支座下部分質(zhì)量如表2所示。

表1 支座上部吸收塔各分段質(zhì)量

表2 支座下部吸收塔各分段質(zhì)量

1.3 自振周期計(jì)算

在地震載荷和風(fēng)載荷的計(jì)算中，均要求引用吸收塔的基本參數(shù)——自振周期。對(duì)于不等厚度、不同直徑的吸收塔，可將直徑、厚度沿塔高度變化的塔式容器視為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)體系，如圖1所示；其中直徑和厚度不變的每段塔設(shè)備質(zhì)量可處理為一個(gè)作用在該段高度1/2處的集中質(zhì)量。由于吸收塔屬于支耳式設(shè)備安裝在鋼框架上，設(shè)備的自振周期不僅與設(shè)備本身結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，而且與框架結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，理論計(jì)算較復(fù)雜。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2001)附錄F給出的框架基礎(chǔ)塔的自振周期的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

式中H=63.83 m,D0=10 m,計(jì)算T1=0.72 s。

1.4 地震載荷計(jì)算

根據(jù)規(guī)范《鋼制塔式容器標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T4710-2005)第8.4節(jié)，帶入計(jì)算條件可得，地震影響系數(shù)最大值=0.12，場地土特征周期Tg=0.35 s，吸收塔一階自振周期大于場地土特征周期Tg，小于5Tg,水平地震影響系數(shù)位于速度控制下降段，取設(shè)備阻尼比ζ=0.035。計(jì)算衰減系數(shù)γ和阻尼調(diào)整系數(shù)η2，最終確定水平地震影響系數(shù)α，如圖2所示。

圖2 地震影響系數(shù)曲線

基本振型系數(shù)按以下公式計(jì)算

各分段水平地震力按下式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?,4所示。

F1k=αη1kmkg

表4 支座下部地震力計(jì)算表

計(jì)算支座上部地震彎矩：

式中H為吸收塔支座高度,H=35300 mm。

計(jì)算支座下部地震彎矩：

式中H為吸收塔支座高度，H=35300 mm。

1.5 風(fēng)載荷計(jì)算

根據(jù)規(guī)范《鋼制塔式容器標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T4710-2005)第8.5節(jié)，把吸收塔沿高度方向分成10段，計(jì)算各段風(fēng)載荷及風(fēng)彎矩。帶入計(jì)算條件可得風(fēng)壓高度變化系數(shù)fi，脈動(dòng)增大系數(shù)ξ，脈動(dòng)影響系數(shù)vi，振型系數(shù)Φz(mì)i。

各計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)按下式計(jì)算

水平風(fēng)載荷

Pi=K1×K2i×q0×fi×Dei×10-6

式中 體型系數(shù)K1=0.7。結(jié)果如表5，6所示。

表5 支座上部風(fēng)力計(jì)算表

表6 支座下部風(fēng)力計(jì)算表

計(jì)算支座上部風(fēng)彎矩

計(jì)算支座支座下部風(fēng)彎矩

1.6 偏心彎矩計(jì)算

吸收塔偏心質(zhì)量me=31138 kg,偏心質(zhì)量到軸的距離le=8900 mm。計(jì)算偏心彎矩

Me=me×le×9.8=

31138×8900×8900=2715856360 N·mm

1.7 最大彎矩計(jì)算

塔式容器任意截面處的最大彎矩按下式計(jì)算

取其中較大值。

計(jì)算支座上部：

7801154986 N·mm<

計(jì)算支座下部：

因

1.8 塔殼強(qiáng)度驗(yàn)算和應(yīng)力校核

假定直筒段加強(qiáng)筋間距l(xiāng)=2300 mm,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器》(GB150-2011)第4節(jié)，直筒段的有效厚度假定δe=9 mm,圓筒外直徑D0=10000 mm，D0/δe=10000/9=1111.1，L/D0=2300/10000=0.23，查圖確定A=0.002，圓筒材料為普碳鋼，查外壓應(yīng)力系數(shù)表確定B=27 MPa,圓筒許用軸向壓應(yīng)力按下式計(jì)算

式中K=1.2，[σ]t=120 MPa,計(jì)算可得[σ]cr=32.4 MPa。

吸收塔許用拉應(yīng)力按下式計(jì)算

[σ]t=K[σ]tΦ

式中K=1.2，[σ]t=120 MPa， φ=0.7。計(jì)算可得[σ]t=100.8 MPa。

吸收塔筒體的穩(wěn)定和強(qiáng)度計(jì)算如表7所示。

經(jīng)過驗(yàn)算吸收塔材質(zhì)為Q235-B,筒體有效厚度為9 mm，滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。設(shè)定筒體的腐蝕裕量為2.5 mm,鋼板的負(fù)公差為0.5 mm，所以吸收塔筒體的設(shè)計(jì)厚度為筒體的有效厚度加上筒體的腐蝕裕量及鋼板的負(fù)偏差為12 mm。

表7 吸收塔筒體強(qiáng)度驗(yàn)算和應(yīng)力校核表

2 結(jié)束語

循環(huán)流化床煙氣脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核關(guān)鍵在于確定塔的自振周期，而由于吸收塔特殊的鋼框架承載結(jié)構(gòu)，吸收塔與框架是剛性連接，在風(fēng)載或地震力的作用下一起擺動(dòng)，自振周期計(jì)算比較復(fù)雜，通過近似計(jì)算的自振周期也能滿足實(shí)際工況要求。

結(jié)合具體的工程案例，通過對(duì)吸收塔的受力分析和應(yīng)力校核，確定吸收塔筒體的有效厚度，從而確定吸收塔筒體的名義厚度，為吸收塔筒體的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本設(shè)備已在工程中成功應(yīng)用。