碳钢脱硫塔的屈曲失稳控制分析

摘要：采用有限元软件对圆筒形薄壳结构的脱硫塔进行了数值模拟计算，分析了脱硫塔屈曲失稳的原因，总结了脱硫塔屈曲失稳控制的标准。研究表明：脱硫塔在地震、风荷载、动液压力等水平荷载作用下，容易发生塔底的“象足”屈曲失稳；碳钢脱硫塔和储油罐虽然都属于薄壳结构，但是碳钢脱硫塔在内部结构上又不同于储油罐，而且受力较储油罐复杂，在满足安全和经济性的前提下，控制碳钢脱硫塔的屈曲失稳的标准更适合参照日本规范对控制储油罐屈曲失稳的计算取值。

关键词：圆筒形薄壳结构；脱硫塔；竖向应力；屈曲失稳；有限元软件 文献标识码：A

中图分类号：TQ053 文章编号：1009-2374（2015）05-0074-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0369

脱硫塔是烟气脱硫工艺的主体结构，为自立式大型薄壳结构。脱硫塔内部结构复杂，同时承受自重、液体压力、风荷载、地震荷载、操作压力等荷载作用，因此塔体的强度和稳定性计算十分复杂。考虑到薄壳结构容易发生屈曲失稳，脱硫塔的屈曲失稳控制标准也没有规范可以依据，有必要对脱硫塔的屈曲失稳原因及控制标准进行研究。本文以某钢厂拟新建的碳钢脱硫塔为研究对象，采用sap2000有限元软件对脱硫塔进行了数值模拟计算，分析了脱硫塔屈曲失稳的原因，总结了屈曲失稳控制的标准，为类似结构的屈曲失稳控制提供

参考。

1 分析模型

本工程为某钢厂烟气脱硫工程碳钢脱硫塔（图1），塔高42.340m，0.000～40.300m范围内为筒体，内径15.000m，40.300～42.340m范围内为穹顶。塔壁分别在高度12.750m及38.150m处有开口，12.750m处开口的投影尺寸为10.000m（宽）×4.500m（高），38.150m处开口的投影尺寸为12.000m（宽）×3.500m（高），两处开口四周设200×200×10箱型截面竖向加强构件及300×200×10箱型截面环梁，在脱硫塔内部的16.750m、20.250m、22.750m、25.200m、27.700m、29.900m、31.900m、33.900m设有工艺层，各层等效荷载依次为：2.547kN/m2、1.132kN/m2、1.132kN/m2、5.659kN/m2、1.132kN/m2、1.415kN/m2、1.415kN/m2、1.415kN/m2，塔下部0.000～9.000m范围内盛有重度为12.6kN/m3的溶液。

脱硫塔塔身各段长度及壁厚见表1，主要设计参数见表2。脱硫塔穹顶恒载按0.7kN/m2，活载按0.5kN/m2。

图1 脱硫塔立面图

表1 塔身各段长度及壁厚

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节

长度（m） 0.0～

3.0 3.0～

6.0 6.0～

10.5 10.5～

16.5 16.5～

31.0 31.0～

36.0 36.0～

40.3

壁厚（mm） 22 20 18 16 14 12 10

表2 主要设计参数

设计

压力 设计

温度 介质 基本

风压 地震

烈度 地震

分组 场地

类别

2.5kPa 50℃～

130℃ 含硫

烟气 0.35kN/m2 7度 第一组 Ⅱ

2 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析的控制方程：

（1）

式中：

――弹性刚度矩阵

――荷载向量作用下的几何刚度矩阵

――特征值对角矩阵，即屈曲因子

――对应的特征向量矩阵，即屈曲模态

与式（1）对应的特征方程：

（2）

特征值屈曲分析按以下3种工况：1.0恒载+1.0活载+1.0静液压力（工况一）；1.0恒载+1.0活载+0.6风压+1.0静液压力（工况二）；1.0恒载+0.7活载+0.6风压+1.0动液压力+1.0地震荷载（工况三）。脱硫塔内压很小，强度和稳定性计算时可以忽略不计。

脱硫塔在上述荷载工况作用下，主要有两种屈曲失稳破坏方式：（1）塔壁开口处的屈曲失稳――主要是因为塔壁壳体开矩形口后，壳体强度和刚度受到很大削弱；塔壁开口上部存在荷重较大的工艺层。（2）塔壁底部的“象足”屈曲失稳――主要是由动液压力产生的环向应力和塔壁的轴向应力共同作用引起。

塔壁开口处的失稳，可以通过在开口的四周设竖向加强构件及环梁，在开口位置增加支撑立柱，来对塔壁开口进行补强，从而避免塔壁开口处的失稳破坏。因此，脱硫塔塔身的破坏形态主要表现为塔壁下部出现象足。塔壁轴向压应力主要由以下部分组成：塔壁自重产生的轴向压应力、塔顶恒、活荷载产生的轴向压应力、各工艺层荷重产生的轴向压应力以及地震弯矩引起的轴向压应力。因此，防止碳钢脱硫塔发生轴压失稳破坏的重点是控制塔壁下部的轴向压应力。

3 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中对“象足”屈曲的控制以及中日美三国控制参数的对比

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中地震等荷载作用下罐壁底部产生的最大轴向压应力应按下式

计算：

（3）

式中：

――罐壁底部的最大轴向压应力（MPa）

――竖向地震影响系数（7度及8度地震区

；9度地震区）

――罐壁底部垂直荷载（MN）

――罐壁横截面积（m2），

――翘离影响系数，

――底圈罐壁的断面系数（m3），

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中罐壁许用临界应力计算公式：

（4）

式中：

――罐壁许用临界应力（MPa）

――设计温度下罐壁材料的弹性模量（MPa）

――底层罐壁有效厚度（m），即底层罐壁的名义厚度减去腐蚀裕量与钢板负公差之和

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中罐壁轴向应力校核应满足下式要求：

（5）

日本规范中罐壁许用临界应力折算计算公式：

（6）

美国规范中罐壁许用临界应力折算计算公式：

（7）

对比三国规范，我国的油罐设计规范对屈曲控制的安全裕度最高，美国的油罐设计规范对屈曲控制的安全裕度最小。虽然脱硫塔也属于薄壳类储罐结构，但是脱硫塔在内部结构上又不同于储油罐，而且受力较储油罐复杂，因此，对脱硫塔的屈曲失稳不能完全按照我国储油罐的设计规范来控制。

4 三种组合下脱硫塔的有限元屈曲计算分析

本模型采用通用结构分析与设计软件SAP2000建模计算。脱硫塔属薄壳碳钢结构，塔身设有环向加固肋，开口处还设有竖向加固肋。考虑到脱硫塔采用的是桩筏基础，塔底与基础采用的是螺栓连接，碳钢塔底采用壳单元模拟底面，同时，板底设置刚度为200000kN/m3的拉压弹簧来模拟塔底板与筏板的结合。

图2 有限元整体模型图

对于薄壳结构，局部风压的影响远大于整体风压的影响。模型利用SAP2000提供的API方法，参照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）局部风压的计算方法对脱硫塔施加局部风压，施加风压后的受荷等值线图见图3。塔内溶液按节点样式的方法以活载的形式施加在塔壁上。由于塔内内压偏小，在塔壁的屈曲失稳计算中忽略了内压对塔壁屈曲失稳造成的影响。

图3 静水水压等值线图和局部风荷载等值线图

图4 工况1作用下塔壁失稳及失稳时塔壁竖向应力图

图5 工况2作用下塔壁失稳及失稳时塔壁竖向应力图

图6 工况3作用下塔壁失稳及失稳时塔壁竖向应力图

按照中国规范，根据式（4），直径15m、厚度18mm碳钢薄壳结构的屈曲临界稳定应力为37MPa；按照日本规范，根据式（6），直径15m、厚度18mm碳钢薄壳结构的屈曲临界稳定应力为81.6MPa；按照美国规范，根据式（6），直径15m，厚度18mm碳钢薄壳结构的屈曲临界稳定应力为102.1MPa。从软件计算结果看（图4～图6），工况1作用下塔壁屈曲失稳的竖向应力接近70MPa；工况2作用下塔壁屈曲失稳的竖向应力接近60MPa；工况3作用下塔壁屈曲失稳的竖向应力接近80MPa。对比三国规范的计算结果，塔的屈曲失稳的应力更接近日本规范的计算结果。

实际情况中，塔内上部存在填料层、喷淋层、除雾层等，且荷重较大，各层荷重及塔身自重是通过塔壁往下传递，因此会塔壁下部竖向应力较大；同时，塔身下部盛装有9m深的溶液，对塔壁下部形成较大环向应力，因此，失稳时的塔壁同时存在较大的环向应力和竖向压应力。特别是在风荷载、地震作用、动液压力等水平荷载作用下，塔壁下部会产生弯曲变形，进一步降低了塔体轴向的稳定性。

5 结语

（1）碳钢脱硫塔属于薄壳类结构，其受力比较复杂，在地震、风荷载、动液压力等水平荷载作用下，容易发生塔底的象足屈曲失稳；（2）《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》（GB 50341-2003）是针对储油罐的设计规范，碳钢脱硫塔和储油罐虽然都属于薄壳结构，但是碳钢脱硫塔在内部结构上又不同于储油罐，而且受力较储油罐复杂，个人觉得不能按照控制储油罐屈曲失稳的标准来控制碳钢脱硫塔的屈曲失稳；（3）对比中、日、美三国规范对控制储油罐屈曲失稳的计算取值，结合工程实例计算的脱硫塔屈曲失稳计算分析，在满足安全和经济性的前提下，控制碳钢脱硫塔的屈曲失稳的标准更适合参照日本规范对控制储油罐屈曲失稳的计算取值。

参考文献

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作者简介：艾虎（1982-），男，湖北天门人，武汉都市环保工程技术股份有限公司结构工程师。