高聳塔器風致振動的現場實測與疲勞分析①

徐 樂 譚 蔚 賈占斌 杜怡安 樊顯濤

(天津大學化工學院)

塔器是化工行業中典型的高聳設備，一般安裝在室外，在工作時會同時受到順風向與橫風向風荷載的作用。順風向荷載與振動方向一致，橫風向荷載與振動方向垂直，后者往往在高聳塔器的風致振動中起主要作用[1]。

隨著裝備制造水平的提高，塔器朝著高參數、大型化發展，塔器的高徑比不斷增加，結構變得越來越柔，使得風致振動事故不斷發生[2～4]。塔器振動輕則影響產品質量、降低生產效率，重則損害設備，危害生產安全。塔器在正常操作狀態下，由于塔體中填料(或塔板)、物料的存在，阻尼比較大，不易發生風致振動。但當塔器處于停車檢修等空塔狀態時，阻尼比減小，極易發生振幅較大的風致振動，有研究者進行了相關報道[5]。目前針對塔器風致振動的研究多為數值模擬計算，缺乏現場實測數據的支持[6]。

筆者針對一座停車檢修的塔器風致振動進行現場實測，并根據實測數據，結合現行標準[7，8]，對塔器進行了振動分析和疲勞校核，以期為塔器風致振動分析和疲勞校核提供參考。

1 現場實測

測試實驗是針對某石化公司高約75m的精

餾塔開展的，該塔器經歷了為期30天的停車檢修，在塔器靜置的過程中，發生了較為明顯的橫風向振動，塔器的相關參數如下：

設計壓力 1.0MPa

設計溫度 145℃

內徑 1 400mm

總高 76 725mm

殼體厚度 14～44mm

材料 Q345R

現場測試儀器是DHDAS高速靜態應變采集儀、DHDAS無線動態應變采集儀、壓阻式加速度傳感器、高靈敏度應變片、風速儀及風向儀等。在180°的第5層平臺壁面處均布4個加速度傳感器探頭，平臺高度為47.8m，在底部距基礎環板0.1m處沿環向均布應變片，測點布置如圖1所示。

近地面處應變片采集的信號通過連接線傳輸給計算機，47.8m處加速度探頭采集的信號通過無線傳輸的方式傳送給計算機。配套的靜態、動態采集分析系統可以完成振動信號的實時采集、保存和后處理。采集環境荷載對塔器進行激勵時的振動信號，將獲得的信號綜合運用自功率譜密度函數和隨機減量法識別塔器的模態參數。相較于傳統塔器模態參數測量時綁定鋼索、集中力激振等方法，環境激勵的方法不會損傷塔器器壁，也不需要昂貴的激振設備，只需利用傳感器測量結構的響應信號即可，該方法易操作且經濟性高[9]。測試參數和環境參數如下：

圖1 應變和加速度測點設置

最大風速 6.4m/s

加速度測點個數 4

應變測點個數 8

采樣時長 1 800s

加速度采樣頻率 100Hz

應變采樣頻率 20Hz

測得塔器的實驗數據和后處理結果如圖2所示。圖2a、b為測點加速度原始數據和FFT結果，由此可以得到塔器一階、二階固有頻率分別為0.256、1.398Hz。圖2c為測試過程中截取的發生橫風向振動的應變曲線，由曲線可得發生振動時裙座處軸向應變為2.1με，并由此曲線可計算出此時塔器振動的頻率為0.259Hz，非常接近塔器一階固有頻率，證明塔器發生了一階橫風向振動。圖2d為對加速度信號進行隨機減量處理后得到的自由衰減曲線，由自由衰減曲線可計算出塔器阻尼比為0.004 2，該阻尼比小于按標準設計時阻尼比取值0.01。

圖2 現場測試及后處理結果

NB/T 47041-2014中公式(16)給出了等直徑變壁厚塔器的一階固有頻率計算公式，將塔體按照不同壁厚分為7個計算段，計算出一階固有頻率為0.221Hz。標準計算值比現場實測值小13.6%，這是由于標準在計算時，塔體按照操作質量選取，而測試塔器處于檢修狀態，質量較小，因而一階固有頻率大于操作狀態。

根據NB/T 47041-2014中公式(39)橫風向塔頂振幅計算公式，將現場測試得到的參數(一階固有頻率0.256Hz，阻尼比0.004 2)代入公式(39)，可算出塔頂橫風向振幅為83mm。現場監控曾記錄下塔器發生振動時的視頻錄像，由后期高速攝影圖像處理軟件，計算出當時橫風向振動位移為91mm，與標準計算值相差8.7%，可以認為在獲取到塔器現場參數后，依據標準計算得到的塔器橫風向位移是較為準確的。

2 數值模擬計算

現場實測時，由于應變測點位置與塔器振動方向呈一定角度，因此不便于通過理論方法計算，筆者采用數值模擬計算。

標準NB/T 47041-2014采用振動理論，在計算得到橫風向塔頂振幅后，用共振時慣性力計算等效橫風向荷載。經過等效后，橫風向荷載變為等效的靜力荷載[10]，即：

(1)

mi——第i段塔體質量；

Tj——第j階固有頻率；

YTj——橫風向振幅；

φi——i截面振形系數。

對于等直徑塔器，其振形函數可表達為：

(2)

式中H——塔器總高；

Zi——i截面高度。

由式(1)、(2)可推導出i截面處等效橫風向荷載：

(3)

利用ANSYS軟件對該精餾塔進行了全尺寸建模，其中塔體采用殼單元SHELL181，平臺采用梁單元BEAM188，平臺與塔體通過MPC184單元綁定接觸，局部網格如圖3所示。模擬計算時，通過定義加載函數，將式(3)作為面壓力加在塔器表面。現場測試時，由于應變片在塔器安裝后粘貼，應變片測得的僅為塔器在風荷載作用下的軸向應變，而不包含塔器自身重力引起的軸向應變，故模擬計算時不考慮塔器的自身重量，得到了塔器的位移和測點應變，如圖4所示。

圖3 局部網格示意圖

數值模擬計算值與現場實測值對比見表1。由表可知，模態誤差在5%以內，應變誤差在10%以內。將標準計算得到的振幅轉化為等效慣性力，并通過數值模擬計算此慣性力下的測點應變與現場實測應變接近，表明采用塔器實測參數按照標準計算的方法是可行的。

3 疲勞分析與校核

根據NB/T 47041-2014中公式(43)，將現場實測得到的一階固有頻率、阻尼比代入方程式可計算塔體共振時各計算截面橫風向彎矩，進而可計算出由橫風向引起的軸向應力。

圖4 頂部位移和測點應變

參數現場實測值ANSYS計算值一階固有頻率/Hz0.2560.267二階固有頻率/Hz1.3981.466測點應變/με2.1002.303

塔器處于檢修時沒有內壓引起的應力，考慮塔器自身重力載荷后，經計算最大應力出現在裙座與筒體的焊縫處(I-I截面)，該截面處的應力如下：

由JB 4732-1995(2005確認)標準中圖C-1，得到該精餾塔允許循環振動次數大于106。

由一階固有頻率，可算出允許塔體連續振動時間大于45天，相對于停車檢修30天的時間，可認為允許共振時間足夠長，即該精餾塔在檢修狀態下可以抵抗橫風向共振引發的疲勞破壞。

4 結束語

針對一座75m高精餾塔進行了檢修條件下的風致振動測試，測試結果表明，設計計算時所取阻尼比0.01大于檢修條件下的阻尼比0.004 2，一階固有頻率比檢修條件小13.6%。采用實測值按照NB/T 47041-2014標準和JB 4732-1995(2005確認)標準進行應力計算與疲勞校核，結果表明該精餾塔在檢修狀態下可以抵抗橫風向共振引發的疲勞破壞。由于檢修(空塔)條件與設計條件下的塔器固有頻率和阻尼比不同，筆者采用的現場測試與標準相結合的塔器風致振動計算分析方法，可以較為準確地評估檢修(空塔)時橫風向振動可能引起的疲勞破壞，可為塔器風致振動計算和疲勞分析提供參考。

[1] 元少昀.塔器、煙囪等高聳結構誘導振動的振因、振害分析及減振對策[J].石油化工設備技術，2009，30(6)：5～8，4.

[2] 聶清德，譚蔚，張明賢，等.乙烯精餾塔的防振[J].化工機械，1999，26(6)：330～332，348～361.

[3] 孫騰良.我國石油和化工裝備制造業面臨的問題及發展方向[J].化工機械，2011，38(1)：1～6，10.

[4] Peil U，Behrens M.Fatigue of Tubular Steel Lighting Columns under Wind Load[J]. Wind and Structure，2002，5(5)：463～478.

[5] 薛坤.一起罕見的高塔共振現象[J].壓力容器，1985，2(6)：61.

[6] 汪睿，陳學東，范志超，等.高聳塔器順風向風振響應與疲勞壽命數值分析[J].壓力容器，2013，30(11)：29～36.

[7] NB/T 47041-2014，鋼制塔式容器[S].北京：新華出版社，2014.

[8] JB 4732-1995(2005確認)，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].北京：中國機械工業出版社，1995.

[9] 黃方林，何旭輝，陳政清，等.隨機減量法在斜拉橋拉索模態參數識別中的應用[J].機械強度，2002，24(3)：331～334.

[10] R 克拉夫，J 彭津，著，王光遠，譯. 結構動力學[M].北京：高等教育出版社，2006：173～183.