某紙漿船尿素儲存柜結構設計及有限元分析

高明星

(大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113)

隨著全球大氣污染以及環(huán)境惡化，環(huán)保問題目前已得到全球的重視，對廢氣排放的要求也越來越嚴格，而其中作為整體環(huán)境質量評價指標之一的氮氧化物(NOx)的排放尤其嚴重。有研究表明，占世界總排放量的14%～15%的NOx排放是由船舶引起的[1]。2008年3月3日至4日，IMO海洋環(huán)境保護委員會第57屆會議(MEPC 57)在英國倫敦召開，會上通過了《MARPOL 73/78》附則Ⅵ的修正案[2]，修正案對船舶廢氣NOx的排放提出了明確限制要求，如表1。

表1 MARPOL公約附則Ⅵ關于船舶柴油機NOx排放標準

SCR(Selective Catalyst Reduction)系統(tǒng)是當前降低船舶NOX排放的一種有效方式之一，船舶柴油機所排放的廢氣出來經過SCR系統(tǒng)，通過化學反應，去除其中NO和NO2，形成無污染的N2和H2O。SCR系統(tǒng)所使用的還原劑一般選用氨氣或者能夠產生氨氣的其他替代物。由于氨氣是一種有毒氣體，且在與空氣混合后濃度在15%～28%范圍內時，遇到明火會引起爆炸，不宜船舶攜帶。而尿素易溶于水，運輸方便且便宜，在船舶柴油機工作狀況下，尿素水溶液釋放氨氣的反應比較完全，副產品無害，替代氨氣作為船舶SCR系統(tǒng)還原劑比較理想[3]。尿素儲存柜作為尿素溶液的存儲容器，是船舶SCR系統(tǒng)的重要組成部分，為實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的尿素溶液安全存儲與供給，需對其進行合理設計。本文以某紙漿船的尿素儲存柜為研究對象，對該尿素儲存柜的結構設計進行了介紹，并對其強度進行了有限元分析。

1 尿素儲存柜結構設計

1.1 尿素儲存柜主要技術參數(shù)

表2 尿素儲存柜主要技術參數(shù)

1.2 尿素儲存柜設計要點

1.2.1尿素儲存柜尺寸確定

柜體尺寸的選擇首先要考慮SCR系統(tǒng)中對于尿素溶液的需求量，根據(jù)相關計算本船所需的尿素容量為40m3。在滿足盛裝尿素溶液基礎上，為防止在尿素溶液在注入過程中柜內壓力過高，還需額外留出一定的空間，用于溢流管、高位報警、透氣孔等相關布置。在得到相關柜體容積后，還要兼顧考慮尿素儲存柜所在的機艙內的綜合布置，從而選定一個合適的柜體尺寸?；谏鲜鲈瓌t，本文所介紹的某紙漿船尿素儲存柜柜體尺寸最終選定為：L×B×H= 5.30 m×3.25 m×2.50 m。

1.2.2尿素儲存柜材料選取

由于尿素溶液具有一定的腐蝕性，需用特殊材料制作的容器儲存。通?？梢赃x用不銹鋼、鋁鎂合金等材料，或者采用普通鋼柜體內部特涂的方式。本項目最終采用不銹鋼S31653(022Cr17Ni12Mo2N)作為尿素儲存柜體材料。由于該不銹鋼具有良好的焊接性能，可采用所有標準的焊接方法進行焊接，并且該不銹鋼又屬于奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。同時，為了有效防止尿素溶液對焊縫部位的浸蝕，本項目對柜體周界焊縫采用鈍化膏進行鈍化處理。

1.2.3尿素儲存柜規(guī)范設計

本項目的尿素儲存柜是依據(jù)CCS《鋼質海船入級與建造規(guī)范》船體篇中有關深艙的相關要求進行規(guī)范設計[4]。結合之前所確定的柜體外形尺寸及在機艙內的實際布置位置，按照規(guī)范要求確定出計算壓頭高度、構件間距、構件跨距、材料系數(shù)等參數(shù)，帶入相應的規(guī)范計算公式，確定出尿素儲存柜的柜體壁板、強橫梁、水平桁以及扶強材等構件規(guī)格尺寸。

1.2.4尿素儲存柜其他設計

在尿素儲存柜上設有尿素溶液注入口、入口安全閥、海水冷卻盤管、溫度傳感器、溫度計、平板玻璃液位計、液位傳感器、高/低位報警等。尿素溶液充入口用于向尿素儲存柜中添加尿素溶液。安裝安全閥可以防止柜內壓力過高所造成危險。40%的尿素溶液在高溫下容易揮發(fā)，從而影響還原反應的效果，由于機艙溫度通常都比較高，通過設置海水冷卻盤管來調控尿素溶液存儲溫度在0～35℃之間[5]，以保證尿素溶液的性能。溫度計和溫度傳感器用于實時監(jiān)測尿素溶液的溫度。液位計、高/低位高/低位報警則用于測量尿素溶液的液位，并在尿素溶液儲量不足或大于設定容量后予以報警。出口管道與尿素供給泵連接，用于尿素溶液供給。

1.2.5尿素儲存柜圖紙設繪

綜上設計要素，設繪尿素儲存柜圖，如下圖1所示。

圖1 尿素儲存柜圖1-柜體、2-支腿、3-中間支腿、4-擋水平鐵、5-鉸鏈式人孔蓋(帶圍板)、6-尿素溶液出口管路、7-泄放出口、8-海水冷卻出口、9-透氣口、10-尿素溶液注入口、11-尿素溶液入口安全閥管、12-海水冷卻進口、13-直梯、14-平板玻璃液位計、15-液位傳感器、16-溫度傳感器、17-低位報警、18-高位報警、19-溫度計、20-溢流視察鏡、21-溢流口、22-觀察口、23-擋水平鐵及踏步

2 尿素儲存柜結構有限元分析

2.1 模型及邊界條件

尿素儲存柜計算模型包括柜體及其支腿結構。模型采用shell單元和beam單元進行模擬，其中柜體板，強T材腹板及面板，型材腹板，支腿結構及肘板均采用shell單元模擬，型材面板采用beam單元模擬。模型網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。在尿素儲存柜強度計算過程中，對支腿底部進行固支約束，即約束x、y、z三個方向的平動約束和轉動約束。有限元模型如下圖2。

圖2 尿素儲存柜結構有限元模型

2.2 載荷工況

尿素溶液的密度ρ取值1.177t/m3；重力加速度g取值9.81m/s2；柜體尺寸L×B×H=5.30m×3.25m×2.50m。

考慮尿素柜在使用中船舶運動情況，分兩種工況進行加載。

(1)工況1

根據(jù)CCS《鋼質海船入級規(guī)范》可以得出垂向加速度az=1.6g , 水平加速度ax=0.5g。

柜底板溶液壓力：

pz=ρazH=1.177t/m3×1.6×9.81m/s2×2.5m=46.185kN/m2=0.0462N/mm2

側圍壁最底部靜壓力：

pz=ρgH=1.177t/m3×9.81m/s2×2.5m=28.866kN/m2=0.0289N/mm2

柜側圍壁靜壓力從底至頂逐漸減小為0。

同時，考慮水平加速度對靠近船艉的橫壁影響，在靜壓力基礎上增加動壓力：

pz=ρaxL=1.177t/m3×0.5×9.81m/s2×5.3m=30.598kN/m2=0.0306N/mm2

(2)工況2

根據(jù)CCS《鋼質海船入級規(guī)范》可以得出垂向加速度az=1.6g , 水平加速度ay=0.5g。

柜底板溶液壓力：

pz=ρazH=1.177t/m3×1.6×9.81m/s2×2.5m = 46.185kN/m2= 0.0462N/mm2

側圍壁最底部靜壓力：

pz=ρgH=1.177t/m3×9.81m/s2×2.5m=28.866kN/m2=0.0289N/mm2

柜側圍壁靜壓力從底至頂逐漸減小為0。

同時，考慮水平加速度對靠近舷側的縱壁影響，在靜壓力基礎上增加動壓力：

pz=ρayB=1.177t/m3× 0.5×9.81m/s2×3.25m=18.763kN/m2=0.0188N/mm2

2.3 計算結果

對計算結果進行評估，計算結果中的合成應力為Von Mises 應力公式如下：

根據(jù)規(guī)范計算，尿素儲存柜結構的許用應力[σe]=195/K；

其中K為材料系數(shù)，基于CCS規(guī)范可得不銹鋼材料系數(shù)K=1.15；

所以尿素柜結構許用應力[σe]=169.6MPa。

基于有限元軟件計算分析，尿素柜結構計算結果如下：

(1)工況1：最大Von Mises 應力為133.3MPa，小于許用應力[σe]，滿足CCS 規(guī)范要求。Von Mises 應力如圖3所示。

圖3 工況1 Von Mises 應力云圖

(2)工況2：最大Von Mises 應力為81.1MPa，小于許用應力[σe]，滿足CCS 規(guī)范要求。Von Mises 應力如圖4所示。

圖4 工況2 Von Mises 應力云圖

基于上述有限元計算結果可知，結構模型中所有單元的Von Mises 應力均小于尿素儲存柜結構的許用應力[σe]，尿素柜結構強度在兩種工況下均滿足CCS 規(guī)范要求。

3 結 語

船舶柴油機配備了SCR系統(tǒng)后，能夠降低NOx排放可達到90%～95%以上，可以達到國際海事組織的NOx Tier Ⅲ排放標準。本文通過對某紙漿船的尿素儲存柜結構設計進行了介紹，并采用有限元計算的方法對柜體結構強度進行了校核，最終得到滿足設計要求的尿素儲存柜體結構，可為今后配有SCR系統(tǒng)船舶的尿素儲存柜結構設計提供參考和借鑒。