淺談基于吸收塔的中美標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)對(duì)比

鄭浣琪，沈海濤，陳軼倫，王德智，張明濤

（1.浙江浙能邁領(lǐng)環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 311202；2.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

1 前言

自2011年我國(guó)修訂“大氣污染防治法”和“火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)”（GB13223-2011）以來，不管是對(duì)于新建機(jī)組還是現(xiàn)役機(jī)組，都面對(duì)著實(shí)現(xiàn)煙氣污染物限值排放的壓力。在此基礎(chǔ)上，部分地區(qū)如天津、山東等地分別于2018、2019年進(jìn)一步提高了地方排放限值，環(huán)保壓力日趨增大。石灰石-石膏濕法脫硫工藝是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)火電廠煙氣脫硫裝置的主流工藝。目前全國(guó)已建設(shè)脫硫設(shè)施的煤電機(jī)組約有6.8億千瓦，其中采用濕法脫硫裝置占燃煤機(jī)組比例超過92%。為實(shí)現(xiàn)煙氣的超低排放，吸收塔作為整個(gè)濕法脫硫裝置的核心設(shè)備，直接影響到整個(gè)脫硫裝置甚至整個(gè)工程的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。其設(shè)計(jì)質(zhì)量十分重要，而吸收塔的強(qiáng)度設(shè)計(jì)作為整個(gè)吸收塔設(shè)計(jì)核心之一，其重要性不言而喻。

2 吸收塔結(jié)構(gòu)荷載簡(jiǎn)介

濕法脫硫吸收塔直徑較大，直徑厚度比D/t一般可到1000，屬于大型薄壁容器。吸收塔操作壓力為3000Pa左右，在系統(tǒng)安裝GGH的前提下，運(yùn)行溫度一般在40～50℃，內(nèi)壓及溫度載荷對(duì)塔體影響較小。

吸收塔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大致可分為5個(gè)部分：

（1）底部漿池部分。該部分為吸收塔殼體厚度最大的區(qū)域，風(fēng)載、地震載荷作用效果最明顯；因吸收塔的壁厚通常逐段減薄，該部分的厚度設(shè)計(jì)通常確定了整個(gè)塔的殼體厚度分布。（2）入口部分。吸收塔入口為一個(gè)大開口區(qū)域，開口削弱非常嚴(yán)重，需要通過設(shè)置必要的縱向以及環(huán)向加固肋，校核其強(qiáng)度及穩(wěn)定性。（3）噴淋層部分。該部分為二氧化硫的反應(yīng)區(qū)，設(shè)有多層的噴淋層及其支撐結(jié)構(gòu)，塔壁受力較大，需要設(shè)置環(huán)向加固肋。（4）除霧器部分。脫除煙氣中的霧滴，設(shè)有多層的除霧器及其支撐結(jié)構(gòu)。（5）出口部分。也是大開口區(qū)域，需要通過設(shè)置必要的縱向以及環(huán)向加固肋保證其強(qiáng)度及穩(wěn)定性?？梢?，吸收的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于其自身結(jié)構(gòu)載荷在風(fēng)載、地震載荷作用下的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核，而其中，地震載荷更是起著很重要的作用，尤其是在地震烈度較大的地區(qū)。

3 國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

吸收塔的結(jié)構(gòu)型式最接近立式油罐，因此，國(guó)內(nèi)主要參考標(biāo)準(zhǔn)為GB50341-2014《立式圓筒鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》，以及NB/T47041-2014《塔式容器》、NB/T47001-2009《鋼制焊接常壓容器》等。設(shè)防烈度取基本烈度，即50年內(nèi)，一般場(chǎng)地條件下，可能遭遇的概率為10%的地震烈度值，相當(dāng)于475年一遇的烈度值。設(shè)防目標(biāo)是儲(chǔ)罐遭受地震影響時(shí)，損壞但經(jīng)維修仍可繼續(xù)使用，類似“中震可修”的概念。

3.2 美國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)的吸收塔抗震設(shè)計(jì)，主要是參考API650《鋼制焊接油罐》，如美國(guó)知名脫硫公司巴威。如美國(guó)知名脫硫公司巴威。API650關(guān)于抗震的計(jì)算部分，自2007版后有了很大的改版?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)API650-2020納入了美國(guó)模型建構(gòu)條例和ASCE7《美國(guó)建筑荷載規(guī)范》中使用的地震烈度的新定義?？紤]美國(guó)東西部地區(qū)地震危險(xiǎn)性存在顯著差異，為使各地區(qū)抗震風(fēng)險(xiǎn)概率一致，采用地區(qū)50年內(nèi)超過2%的概率，即時(shí)隔2475年復(fù)發(fā)一次的基本地震烈度作為設(shè)防烈度，設(shè)防目標(biāo)為儲(chǔ)罐不倒塌。

4 抗震設(shè)計(jì)對(duì)比

4.1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

抗震計(jì)算目前有四種理論：靜力理論、動(dòng)力理論、反應(yīng)譜理論和時(shí)間歷程響應(yīng)。目前，世界各國(guó)大多數(shù)抗震規(guī)范都采用反應(yīng)譜理論。該理論將結(jié)構(gòu)物視為一個(gè)彈性體，地震時(shí)結(jié)構(gòu)物的反應(yīng)大小不僅與其自振特性(周期、振型和阻尼)有關(guān)，且與場(chǎng)地土的類別有關(guān)。需求出地震期間的最大反應(yīng)值作為載荷加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。地震影響系數(shù)最大值按表1的多遇地震進(jìn)行選取，如有必要，可按國(guó)家規(guī)定權(quán)限批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行地震載荷計(jì)算。

表1 地震影響系數(shù)最大值

地震影響系數(shù)的曲線如圖1所示。

圖1 地震影響系數(shù)曲線

阻尼比應(yīng)實(shí)測(cè)確定，無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)塔式容器，一階振型阻尼比可取ζ=0.01～0.03。取阻尼比為0.03。根據(jù)GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐》，油罐的罐液耦聯(lián)振動(dòng)基本周期可按下式計(jì)算：

大量工程計(jì)算結(jié)果顯示，吸收塔本體的基本自振周期T1均在0.1～0.25s，吸收塔與漿液耦合振動(dòng)的基本自振周期Tc均在0.1～0.15s。場(chǎng)地土特征周期根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB50191-2012《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，其最小值為0.25s，均大于T1與Tc。因此，地震影響系數(shù)α1=1.156αmax。

罐壁底部水平地震剪力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

引入Y1是考慮罐壁慣性力的影響，罐壁質(zhì)量約為罐內(nèi)儲(chǔ)液質(zhì)量的1%～5%，平均為2.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明，罐壁頂部的反應(yīng)加速度通常為地面加速度的8～10倍，使罐體慣性力可達(dá)到動(dòng)液壓力的10%左右，因此，取Y1為1.10。

然而，對(duì)于吸收塔來說，只有底部漿液區(qū)才有漿液，入口上還有托盤、噴淋層、除霧器等附件及其支撐系統(tǒng)，吸收塔本體的碳鋼質(zhì)量更大于其底部漿液的質(zhì)量。因此，吸收塔抗震計(jì)算時(shí)，本體的慣性力不能通過系數(shù)來計(jì)算，需要將本體慣性力與漿液慣性力分開計(jì)算。

漿液部分慣性力為：

本體部分不需考慮動(dòng)液系數(shù)，慣性力為：

總的慣性力為

漿液部分的地震彎矩：Mo=0.45QoHw

本體部分的地震彎矩：Mw=QtHt

總的地震彎矩：Me=Mo+Mw

4.2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

API650-2020《鋼制焊接油罐》的設(shè)計(jì)方法也是基于反應(yīng)譜理論，并考慮了兩種儲(chǔ)罐的響應(yīng)模式及其要求（脈沖和對(duì)流）。API650-2003版使用脈沖力和對(duì)流力直接求和的方法，該方法偏于保守。通常來說，脈沖和對(duì)流響應(yīng)周期是截然分開的，脈沖周期比對(duì)流周期要短得多。且對(duì)流響應(yīng)的建立可能比脈沖響應(yīng)需要更長(zhǎng)時(shí)間，脈沖部分很可能是逐漸衰減的，對(duì)流部分逐漸達(dá)到其峰值。因此，脈沖和對(duì)流響應(yīng)組合時(shí)，可取單獨(dú)部分和的平方的平方根值。新版API650-2020采用的就是該方法。

API650中油罐的罐液耦聯(lián)振動(dòng)基本周期可按下式計(jì)算：

Ks為晃動(dòng)周期系數(shù)，可用下式計(jì)算，

脈沖設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度系數(shù)

對(duì)流頻譜加速度參數(shù)

TL為長(zhǎng)周期過渡周期，通常大于耦合周期Tc(0.1～0.15s)，因此，采用第一個(gè)公式計(jì)算即可。

標(biāo)準(zhǔn)改變過去地震分區(qū)賦予相應(yīng)地震系數(shù)的劃分方法，采用地震動(dòng)參數(shù)描述地震強(qiáng)度大小。各區(qū)域最大設(shè)防地震強(qiáng)度可根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）編制的短周期加速峰值Ss區(qū)劃圖和1s周期加速度峰值S1區(qū)劃圖獲得。在ASCE7定義的地區(qū)，通常采用Map方法，確定兩個(gè)阻尼參數(shù)進(jìn)而得到脈沖反應(yīng)譜加速度參數(shù)和對(duì)流反應(yīng)譜加速度參數(shù)。在ASCE7未定義的地區(qū)，確定地面峰值加速度參數(shù)Sp后，脈沖反應(yīng)譜加速度參數(shù)Ss和對(duì)流反應(yīng)譜加速度參數(shù)S1分別為Sp的2.5倍和1.25倍。

API650同時(shí)考慮脈沖質(zhì)量和晃動(dòng)質(zhì)量的影響。

當(dāng)D/Hw≥1.333時(shí)，有效脈沖重量為

當(dāng)D/Hw<1.333時(shí)，有效脈沖重量為

有效對(duì)流質(zhì)量為

等效橫向抗震設(shè)計(jì)作用力

基礎(chǔ)抗震剪力為

當(dāng)D/H≥1.333時(shí)，脈沖部分質(zhì)心高度為

當(dāng)D/H<1.333時(shí)，脈沖部分質(zhì)心高度為

對(duì)流部分質(zhì)心高度為

對(duì)于儲(chǔ)罐來說，其脈沖液體的質(zhì)心與本體的質(zhì)心可視為相同，但對(duì)于只有底部才有漿液的吸收塔來說，其質(zhì)心必然不同，因此，計(jì)算彎矩時(shí)，需要將本體質(zhì)量與脈沖液體質(zhì)量分開。引入吸收塔質(zhì)心高度Ht，則總的彎矩：

4.3 算例對(duì)比

以某3個(gè)電廠煙氣脫硫項(xiàng)目為例，進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2

第一組參數(shù)的計(jì)算過程如下：

（1）國(guó)標(biāo)計(jì)算：根據(jù)設(shè)計(jì)條件，動(dòng)液系數(shù)Fr=0.763，按設(shè)防地震（50年，10%機(jī)率），地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12。按上述方法進(jìn)行計(jì)算，不同取值計(jì)算結(jié)果見表3。

（2）美標(biāo)計(jì)算：將設(shè)計(jì)條件換算至美標(biāo)中加速度值，脈沖反應(yīng)譜加速度Ss=0.55g,對(duì)流反應(yīng)譜加速度S1=0.11g,查表得Fa=1.1,Fv=1.5。按50年發(fā)生機(jī)率2%進(jìn)行設(shè)計(jì)。按上述方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明，同樣采用50年發(fā)生概率2%進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)標(biāo)與美標(biāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果大致接近，總慣性力偏差為18%，總彎矩偏差為19%。而按國(guó)標(biāo)基本要求，即50年發(fā)生概率10%，抗震計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于按API650基本要求（50年，2%）的計(jì)算結(jié)果。

表3 國(guó)標(biāo)與美標(biāo)的地震力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

濕法脫硫吸收塔的抗震設(shè)計(jì)，本文根據(jù)中美標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化后的不同計(jì)算方法，可有效應(yīng)用于實(shí)際工程。

同時(shí)，通過實(shí)例計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，國(guó)標(biāo)在50年-10%發(fā)生概率下的計(jì)算值，與美標(biāo)在50年-2%發(fā)生概率下的計(jì)算值接近，偏差在7%以內(nèi)。說明因地形、地震分區(qū)等的差異，兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用了不同的地震發(fā)生機(jī)率，但實(shí)際計(jì)算結(jié)果接近。因此，實(shí)際進(jìn)行吸收塔抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用地的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，切勿盲目生搬硬套，國(guó)內(nèi)可采用國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)化計(jì)算方法，國(guó)外可采用或借鑒美標(biāo)簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

符號(hào)說明：αmax為水平地震影響系數(shù)最大值；Tg為場(chǎng)地土的特征周期；η1為調(diào)整系數(shù)；η2為阻尼調(diào)整系數(shù)；γ為衰減系數(shù)；Ti為自振周期；R為油罐內(nèi)半徑，Hw為設(shè)計(jì)液位高度(m)；δ1/3為罐壁距底板1/3高度處的計(jì)算厚度(m)；Kc為耦聯(lián)振動(dòng)周期系數(shù)，根據(jù)D/Hw查標(biāo)準(zhǔn)中表D.3.5；C2為綜合影響系數(shù)，取0.4；α1為地震影響系數(shù)；Y1為罐體影響系數(shù)，取1.10；m為產(chǎn)生地震作用的儲(chǔ)液等效質(zhì)量(kg)；m1為油罐儲(chǔ)液總質(zhì)量(kg)；Fr為動(dòng)液系數(shù)，根據(jù)D/Hw查標(biāo)準(zhǔn)中表D.3.7；SDS為5%阻尼，T=0.2s的反應(yīng)譜響應(yīng)加速度參數(shù)(%g)；Rwt為脈沖模式許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法的力換算系數(shù)，對(duì)于機(jī)械錨固式，取2.0；I為重要性系數(shù)，對(duì)于儲(chǔ)罐取1.0。SD1為5%阻尼，T=1s的反應(yīng)譜響應(yīng)加速度參數(shù)(%g)；Rwc為對(duì)流模式許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法的力換算系數(shù)，對(duì)于機(jī)械錨固式，取4.0；K為調(diào)整阻尼反應(yīng)譜加速系數(shù)，5%～0.5%為1.5，除非另有規(guī)定；Fa、Fv為場(chǎng)地系數(shù)，可根據(jù)API650-2020表E.1與E.2查得。Wp為儲(chǔ)罐內(nèi)液體總質(zhì)量；We為儲(chǔ)罐本體總重量。