某纸浆船尿素储存柜结构设计及有限元分析

高明星

(大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113)

随着全球大气污染以及环境恶化，环保问题目前已得到全球的重视，对废气排放的要求也越来越严格，而其中作为整体环境质量评价指标之一的氮氧化物(NOx)的排放尤其严重。有研究表明，占世界总排放量的14%～15%的NOx排放是由船舶引起的[1]。2008年3月3日至4日，IMO海洋环境保护委员会第57届会议(MEPC 57)在英国伦敦召开，会上通过了《MARPOL 73/78》附则Ⅵ的修正案[2]，修正案对船舶废气NOx的排放提出了明确限制要求，如表1。

表1 MARPOL公约附则Ⅵ关于船舶柴油机NOx排放标准

SCR(Selective Catalyst Reduction)系统是当前降低船舶NOX排放的一种有效方式之一，船舶柴油机所排放的废气出来经过SCR系统，通过化学反应，去除其中NO和NO2，形成无污染的N2和H2O。SCR系统所使用的还原剂一般选用氨气或者能够产生氨气的其他替代物。由于氨气是一种有毒气体，且在与空气混合后浓度在15%～28%范围内时，遇到明火会引起爆炸，不宜船舶携带。而尿素易溶于水，运输方便且便宜，在船舶柴油机工作状况下，尿素水溶液释放氨气的反应比较完全，副产品无害，替代氨气作为船舶SCR系统还原剂比较理想[3]。尿素储存柜作为尿素溶液的存储容器，是船舶SCR系统的重要组成部分，为实现SCR系统的尿素溶液安全存储与供给，需对其进行合理设计。本文以某纸浆船的尿素储存柜为研究对象，对该尿素储存柜的结构设计进行了介绍，并对其强度进行了有限元分析。

1 尿素储存柜结构设计

1.1 尿素储存柜主要技术参数

表2 尿素储存柜主要技术参数

1.2 尿素储存柜设计要点

1.2.1尿素储存柜尺寸确定

柜体尺寸的选择首先要考虑SCR系统中对于尿素溶液的需求量，根据相关计算本船所需的尿素容量为40m3。在满足盛装尿素溶液基础上，为防止在尿素溶液在注入过程中柜内压力过高，还需额外留出一定的空间，用于溢流管、高位报警、透气孔等相关布置。在得到相关柜体容积后，还要兼顾考虑尿素储存柜所在的机舱内的综合布置，从而选定一个合适的柜体尺寸。基于上述原则，本文所介绍的某纸浆船尿素储存柜柜体尺寸最终选定为：L×B×H= 5.30 m×3.25 m×2.50 m。

1.2.2尿素储存柜材料选取

由于尿素溶液具有一定的腐蚀性，需用特殊材料制作的容器储存。通常可以选用不锈钢、铝镁合金等材料，或者采用普通钢柜体内部特涂的方式。本项目最终采用不锈钢S31653(022Cr17Ni12Mo2N)作为尿素储存柜体材料。由于该不锈钢具有良好的焊接性能，可采用所有标准的焊接方法进行焊接，并且该不锈钢又属于奥氏体不锈钢，具有优良的耐腐蚀性。同时，为了有效防止尿素溶液对焊缝部位的浸蚀，本项目对柜体周界焊缝采用钝化膏进行钝化处理。

1.2.3尿素储存柜规范设计

本项目的尿素储存柜是依据CCS《钢质海船入级与建造规范》船体篇中有关深舱的相关要求进行规范设计[4]。结合之前所确定的柜体外形尺寸及在机舱内的实际布置位置，按照规范要求确定出计算压头高度、构件间距、构件跨距、材料系数等参数，带入相应的规范计算公式，确定出尿素储存柜的柜体壁板、强横梁、水平桁以及扶强材等构件规格尺寸。

1.2.4尿素储存柜其他设计

在尿素储存柜上设有尿素溶液注入口、入口安全阀、海水冷却盘管、温度传感器、温度计、平板玻璃液位计、液位传感器、高/低位报警等。尿素溶液充入口用于向尿素储存柜中添加尿素溶液。安装安全阀可以防止柜内压力过高所造成危险。40%的尿素溶液在高温下容易挥发，从而影响还原反应的效果，由于机舱温度通常都比较高，通过设置海水冷却盘管来调控尿素溶液存储温度在0～35℃之间[5]，以保证尿素溶液的性能。温度计和温度传感器用于实时监测尿素溶液的温度。液位计、高/低位高/低位报警则用于测量尿素溶液的液位，并在尿素溶液储量不足或大于设定容量后予以报警。出口管道与尿素供给泵连接，用于尿素溶液供给。

1.2.5尿素储存柜图纸设绘

综上设计要素，设绘尿素储存柜图，如下图1所示。

图1 尿素储存柜图1-柜体、2-支腿、3-中间支腿、4-挡水平铁、5-铰链式人孔盖(带围板)、6-尿素溶液出口管路、7-泄放出口、8-海水冷却出口、9-透气口、10-尿素溶液注入口、11-尿素溶液入口安全阀管、12-海水冷却进口、13-直梯、14-平板玻璃液位计、15-液位传感器、16-温度传感器、17-低位报警、18-高位报警、19-温度计、20-溢流视察镜、21-溢流口、22-观察口、23-挡水平铁及踏步

2 尿素储存柜结构有限元分析

2.1 模型及边界条件

尿素储存柜计算模型包括柜体及其支腿结构。模型采用shell单元和beam单元进行模拟，其中柜体板，强T材腹板及面板，型材腹板，支腿结构及肘板均采用shell单元模拟，型材面板采用beam单元模拟。模型网格尺寸为100 mm×100 mm。在尿素储存柜强度计算过程中，对支腿底部进行固支约束，即约束x、y、z三个方向的平动约束和转动约束。有限元模型如下图2。

图2 尿素储存柜结构有限元模型

2.2 载荷工况

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

考虑尿素柜在使用中船舶运动情况，分两种工况进行加载。

(1)工况1

根据CCS《钢质海船入级规范》可以得出垂向加速度az=1.6g , 水平加速度ax=0.5g。

柜底板溶液压力：

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

侧围壁最底部静压力：

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

柜侧围壁静压力从底至顶逐渐减小为0。

同时，考虑水平加速度对靠近船艉的横壁影响，在静压力基础上增加动压力：

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

(2)工况2

根据CCS《钢质海船入级规范》可以得出垂向加速度az=1.6g , 水平加速度ay=0.5g。

柜底板溶液压力：

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

侧围壁最底部静压力：

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

柜侧围壁静压力从底至顶逐渐减小为0。

同时，考虑水平加速度对靠近舷侧的纵壁影响，在静压力基础上增加动压力：

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

2.3 计算结果

对计算结果进行评估，计算结果中的合成应力为Von Mises 应力公式如下：

根据规范计算，尿素储存柜结构的许用应力[σe]=195/K；

其中K为材料系数，基于CCS规范可得不锈钢材料系数K=1.15；

所以尿素柜结构许用应力[σe]=169.6MPa。

基于有限元软件计算分析，尿素柜结构计算结果如下：

(1)工况1：最大Von Mises 应力为133.3MPa，小于许用应力[σe]，满足CCS 规范要求。Von Mises 应力如图3所示。

图3 工况1 Von Mises 应力云图

(2)工况2：最大Von Mises 应力为81.1MPa，小于许用应力[σe]，满足CCS 规范要求。Von Mises 应力如图4所示。

图4 工况2 Von Mises 应力云图

基于上述有限元计算结果可知，结构模型中所有单元的Von Mises 应力均小于尿素储存柜结构的许用应力[σe]，尿素柜结构强度在两种工况下均满足CCS 规范要求。

3 结 语

船舶柴油机配备了SCR系统后，能够降低NOx排放可达到90%～95%以上，可以达到国际海事组织的NOx Tier Ⅲ排放标准。本文通过对某纸浆船的尿素储存柜结构设计进行了介绍，并采用有限元计算的方法对柜体结构强度进行了校核，最终得到满足设计要求的尿素储存柜体结构，可为今后配有SCR系统船舶的尿素储存柜结构设计提供参考和借鉴。