65m高鋼制排氣筒消除橫風向風振分析

王志雅

(上海互聯(lián)環(huán)保工程技術(shù)中心，上海　200086)

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65m高鋼制排氣筒消除橫風向風振分析

王志雅

(上海互聯(lián)環(huán)保工程技術(shù)中心，上海200086)

摘要：報道65m高鋼制排氣筒發(fā)生以及消除橫風向風振的實例，對照有關(guān)標準對原設(shè)計進行分析，說明設(shè)計缺陷同發(fā)生橫風向風振存在因果關(guān)系，總結(jié)發(fā)生及消除橫風向風振的經(jīng)驗教訓，為自立式鋼煙囪的建造提供一個可供參考的案例。

關(guān)鍵詞：排氣筒；自立式鋼煙囪；橫風向風振；破風圈

1概況

65m高鋼制排氣筒安裝于南京化工園區(qū)，屬于自立式鋼煙囪，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。排氣筒沒有保溫內(nèi)襯，從上至下各段的材質(zhì)和壁厚(尺寸單位為mm)見下表1。

由于可能有高溫氣體從排氣筒排放，排氣筒設(shè)計溫度定為350℃。排氣筒安裝地的設(shè)計基本風壓為400N/m2，環(huán)境空曠，周圍沒有影響風場的高大建筑物。

排氣筒于2012年10月完成安裝，至2013年5、6月當?shù)剡M入每年的多風季節(jié)，每當?shù)孛骘L力持續(xù)達到4至5級時排氣筒多次出現(xiàn)有規(guī)則的大幅度晃動，單邊幅度達到220mm，晃動方向大致垂直于風向。上述現(xiàn)象具有高重現(xiàn)性。經(jīng)現(xiàn)場觀察和視頻分析，判斷為典型的第一振型橫風向風振，為背風向交替發(fā)生的旋渦脫落(卡門渦街)造成排氣筒產(chǎn)生共振所致。橫風向旋渦脫落共振可能導致排氣筒結(jié)構(gòu)破壞，進而危及所在區(qū)域人員和財產(chǎn)的安全。

業(yè)主單位于2013年7月3日召開處置方案研究會議，與會單位一致同意排氣筒設(shè)計制造商提出的在排氣筒上方內(nèi)徑為2m的筒體外表面加裝螺旋破風圈的補救措施。按JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》標準釋義以及GB50051-2002《煙囪設(shè)計規(guī)范》，破風圈用200mm×6mm扁鋼預制成螺距為10米的螺旋形，焊接在排氣筒外表面，共有三道螺旋。排氣筒加裝破風圈的改造于當年8月完成。此后至今，雖然多次遇見持續(xù)大風天氣，排氣筒再未出現(xiàn)明顯的風振現(xiàn)象。

表1　結(jié)構(gòu)尺寸表

圖1　65m排氣筒示意圖

2設(shè)計計算

由于排氣筒從形狀結(jié)構(gòu)及承受風、地震等外力載荷的情形來看相似于鋼制塔式容器，設(shè)計者對鋼制塔式容器的設(shè)計比較熟悉，同時鋼制塔式容器的設(shè)計有較為成熟詳細的電算程序，故設(shè)計者選用全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站組織編制的SW6軟件進行強度計算，其中鋼制塔式容器的計算依據(jù)于JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》。對于復合鋼板的壁厚，輸入數(shù)據(jù)為碳鋼厚度，不包含不銹鋼的厚度。事實上，運用SW6進行排氣筒的設(shè)計計算，在各段筒體及裙座壁厚的校核、地震載荷及風載荷計算、地腳螺栓校核、橫風向風振的判斷等等方面，都具有相當?shù)臏蚀_性，采用SW6進行排氣筒設(shè)計計算應該是不錯的選擇。

由SW6形成的排氣筒計算書顯示第一振型臨界風速為9.50m/s，設(shè)計風速為34.11m/s，提示排氣筒將會發(fā)生第一振型橫風向共振。按JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》規(guī)定，當有橫風向共振發(fā)生時，需要進行兩個方向風彎矩合成后的強度校核，SW6會自動進行校核計算并給出是否校核合格的結(jié)論。但標準并未規(guī)定是否需要進一步考慮其它形式的失效(如疲勞)，設(shè)計人員應根據(jù)工程經(jīng)驗自行作出處理。排氣筒計算書雖然給出了校核合格的結(jié)果，但這僅指強度計算通過，并不表示可以排除其它形式破壞的可能，對于鋼結(jié)構(gòu)，橫風向風振導致的破壞多數(shù)不是強度破壞，而可能是疲勞等其它形式的破壞。也許出于設(shè)計者的疏忽，竟認為至此排氣筒設(shè)計計算已經(jīng)合格，沒有進一步判斷橫風向風振的后果并考慮預防風振的措施，以致于設(shè)備出現(xiàn)危及安全的風振問題后，不得不回過頭來采取加裝破風圈的補救措施。

排氣筒發(fā)生橫風向風振時業(yè)主曾經(jīng)測得地面風速為6.5m/s，按此折算排氣筒頂部風速為8.8m/s，這與SW6計算書臨界風速(第一振型)為9.5m/s的結(jié)果比較接近。說明用SW6形成的排氣筒計算書判斷橫風向風振的發(fā)生是比較可靠的。

從排氣筒的用途和結(jié)構(gòu)特點看，它其實就是自立式鋼煙囪，其設(shè)計應滿足國家標準GB50051-2002《煙囪設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。對于自立式鋼煙囪，GB50051-2002《煙囪設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：

“當煙囪的臨界風速小于6～7m/s時，應設(shè)置破風圈。當煙囪的臨界風速為7～13.4m/s，且小于設(shè)計風速時，而用改變煙囪高度、直徑和增加厚度等措施不經(jīng)濟時，也可設(shè)置破風圈。”計算書得出臨界風速(第一振型)為9.50m/s，處在7～13.4m/s范圍之內(nèi)，而排氣筒的高度或者直徑不可能由設(shè)備設(shè)計改變，如果增加排氣筒壁厚顯然非常不經(jīng)濟，此時只有選擇設(shè)置破風圈最為經(jīng)濟可行。所以，對于本文所述的排氣筒理應在設(shè)計階段就設(shè)置破風圈，避免發(fā)生橫風向風振后再實施加裝破風圈改造，從而避免因發(fā)生橫風向風振造成的安全風險，以及因整改而發(fā)生的停產(chǎn)和額外施工的經(jīng)濟損失。

關(guān)于減緩或防止橫風向風振的措施，JB/T4710-2005(標準釋義)同GB50051-2002有著完全一致的表述，都推薦了軸向翅片和螺旋形翅片兩種擾流器或稱破風圈，設(shè)置的位置也有相同的要求。對于軸向翅片的尺寸，兩標準的數(shù)據(jù)相近；對于螺旋形翅片的尺寸，兩標準的數(shù)據(jù)相同。此外，JB/T4710-2005是針對塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點來制訂的，就風振而言，排氣筒畢竟同塔器存在區(qū)別，例如塔器的內(nèi)件以及操作物料對于塔體振動具有明顯的阻尼作用，而排氣筒則完全沒有這些因素，也就是說排氣筒更容易發(fā)生橫風向風振，一旦發(fā)生其共振也會更劇烈。

3結(jié)語

高聳結(jié)構(gòu)在風的作用下，不但順風向產(chǎn)生風振響應，而且橫風向必然產(chǎn)生旋渦脫落風振，當橫風向旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)某階自振頻率一致時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的橫風向共振，如不注意結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破壞，國內(nèi)外已經(jīng)有很多這類報導。本文報道的65m鋼制排氣筒(即自立式鋼煙囪)發(fā)生橫風向風振的實例，其設(shè)計同發(fā)生危及安全的橫風向風振存在因果關(guān)系，其后采取加裝螺旋破風圈的簡單改造措施，取得了良好的防振效果。總結(jié)經(jīng)驗教訓，為自立式鋼煙囪的建造，提供一個可供參考的案例。

參考文獻：

[1]JB/T4710-2005，鋼制塔式容器[S].

[2]GB50051-2002，煙囪設(shè)計規(guī)范[S].

[3]張相庭.橫風向旋渦脫落共振響應分極及在規(guī)范上的應用[J].建筑科學，2000，16(6)：22～25.

The Elimination of Across-wind Dynamic Vibrationfor the Steel Exhaust Funnel with height 65 meter

WANGZhi-ya

(Shanghai Internet Environmental Technology Center，Shanghai 200086)

Abstract：This paper indicates a real example of elimination of across-wind dynamic vibration for steel exhaust funnel with its height of 65 m. It also analyzes the original design according to the related industry standard，and explain the causal relationship between fault design and across-wind dynamic vibration so as to generalize the reasons for such issue and the method for the further elimination，generating the reference of building the self-supporting steel chimney.

Key words：exhaust funnel；self-supporting steel chimney across-wind dynamic vibration；strake(vane)

中圖分類號：TQ053.5

文獻標志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)01-0059-02

作者簡介：王志雅(1946-)，男，江蘇南京市人，高級工程師，長期在化工企業(yè)及設(shè)計院從事化工設(shè)備及壓力容器設(shè)計工作，近年研究方向為煙氣脫硫等環(huán)保工程的設(shè)計及總承包管理。

收稿日期：2014-11-14