塔器的風誘導共振分析和預防設計方法研究

楊小林，朱永江

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

塔設備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設備之一，其投資占整個工藝設備投資費用的比例較大。因此，塔設備的安全可靠性是影響工廠正常生產(chǎn)的重要因素，需重點關(guān)注。尤其是高徑比較大的塔設備，從設計到安裝，甚至于檢修都應引起足夠的重視。近年來，塔設備的高徑比越來越大，出現(xiàn)的“共振”事故也屢見不鮮。由于空塔的系統(tǒng)阻尼比遠低于操作時塔設備的，空塔更容易發(fā)生“共振”事故，且振幅更大、更加危險。本文旨在根據(jù)風誘導共振的機理分析塔器發(fā)生較大共振現(xiàn)象的必要條件，并結(jié)合防振措施，提出基于共振預防的塔器設計校核方法。

1 風誘導共振的機理

風橫向流過圓柱形塔器時，會在塔背面的兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，且在脫離后形成旋渦尾流的現(xiàn)象。由于Re(雷諾數(shù))的不同，在橫風力作用下的塔器，旋渦形成的情況也不同。當風以一定的速度繞流圓柱形的塔設備時，在150

一般來說，若高徑比較大的塔在設計風速以下(往往遠低于設計風速)就發(fā)生有規(guī)律地“來回擺動”，且風速不改變，擺動不停止，則有很大可能發(fā)生了風誘導共振現(xiàn)象。

2 防振措施

根據(jù)風誘導共振的機理可知，塔器要發(fā)生有較大危害的共振現(xiàn)象，須同時具備以下4個條件：存在卡門渦街現(xiàn)象；設計風速高于(第一)臨界風速；塔設備所在項目現(xiàn)場的風速接近或等于臨界風速；共振振幅達到一定的危害值。根據(jù)文獻[1]所述，共振擺動幅度較低時，允許的循環(huán)次數(shù)數(shù)值非常大，設備不會產(chǎn)生疲勞破壞。也就是說，若共振振幅較低且不影響設備工藝性能，即使發(fā)生共振也不會影響到設備運行的安全穩(wěn)定性。

因此，根據(jù)塔器要發(fā)生有較大危害的共振的必要條件，塔設備的防振措施可有多種，本文主要介紹4種。

2.1 減小塔的自振周期

從下面的直徑、厚度相等的塔式容器基本振型自振周期公式(1)以及臨界風速公式(2)可以看出：塔的自振周期越小，臨界風速越大。因此，只要適當?shù)卣{(diào)整塔設備的高度、內(nèi)徑以及壁厚，就可以把臨界風速調(diào)整到設計風速以上，從而避免共振的發(fā)生。但是，由于設備的工藝性和經(jīng)濟性要求，塔的高度、直徑和壁厚的調(diào)整都有嚴格限制，塔的自振周期難以進行較大幅度調(diào)整，往往無法達到避免共振的目的。

(1)

(2)

2.2 采用擾流裝置

由卡曼旋渦產(chǎn)生的原理可知，塔器上的梯子、平臺、附塔管線和外部擾流件都能起到擾亂卡曼旋渦的作用，從而減緩或防止卡門渦街的形成。在塔上部1/3處的范圍內(nèi)，安裝軸向翅片或螺旋形翅片的擾流器，可以有效地減緩或防止塔的共振。但是，翅片擾流裝置一般在自立式鋼煙囪中使用較多，而塔器由于梯子、平臺以及管線等會極大地限制翅片的安裝空間，故較少使用，往往作為已發(fā)生共振事故的補救措施。

2.3 增加塔的阻尼

阻尼的定義是使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用。當臨界風速的風過后，塔的振動會慢慢消失，就是一種阻尼現(xiàn)象。引起系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))阻尼的因素很多，主要有：①系統(tǒng)本身的材料阻尼；②周圍介質(zhì)對振動的阻尼；③節(jié)點、支座聯(lián)接處的阻尼；④通過支座基礎散失的能量；⑤結(jié)構(gòu)的工藝性對振動的阻尼。

阻尼是衡量一個系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標。塔器在未安裝內(nèi)件、平臺及管線之前可以看成一個系統(tǒng)。塔器本身、塔盤、工作介質(zhì)、填料、平臺以及相連的管線等可以整體看成一個系統(tǒng)。系統(tǒng)的阻尼越大，吸收振動能量的能力越強，振動的振幅越小，系統(tǒng)越穩(wěn)定。通常阻尼比被用來表達系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))阻尼的大小。根據(jù)下面橫風向塔頂振幅公式(3)，可以看出：共振的塔頂振幅與塔器系統(tǒng)的阻尼比成反比，即阻尼比越小，振幅越大，反之亦然。

(3)

由于阻尼產(chǎn)生的因素很多，無法直接通過理論公式計算得到，只能通過實驗的方法進行測定。而對于一個塔器系統(tǒng)來說，要得到準確的阻尼比很難。關(guān)于塔器系統(tǒng)的阻尼比，有文獻給出參考值[3]：空塔為ζ=0.02/(2π)；操作中的塔為ζ=0.03/(2π)；有襯里的塔為ζ=0.05/(2π)；充滿水的塔為ζ=0.07/(2π)。

從上可以看出：空塔的阻尼比最小，即發(fā)生共振時的振幅最大，危害最大；操作中塔的阻尼比空塔的阻尼大，共振的危害會有所降低；水等流體可以明顯地提高塔器的阻尼。

增加塔的阻尼，除了調(diào)整塔器系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)外，還可以通過安裝風阻尼器(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)來達到。風阻尼器的本質(zhì)就是一套阻尼系統(tǒng)或稱消能減振裝置。目前，風阻尼器的應用領(lǐng)域主要集中在電視塔和超高層建筑，如廣州電視塔、南京電視塔和臺北101大廈等，在細高塔設備上的應用較少，但其對高聳塔的風致振動具有很好的控制效果。

2.4 合理規(guī)劃塔器的安裝和檢修時間

塔設備所在項目現(xiàn)場的風速接近或等于臨界風速，是發(fā)生共振的必要條件之一。而空塔的阻尼比操作中塔的阻尼小(從文獻[1]提及的案例可以看出，有些情況下，空塔的阻尼遠小于操作中塔的阻尼)，即空塔發(fā)生共振更加危險。因此，根據(jù)項目所在地的歷年風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可預測塔器所在地出現(xiàn)接近或等于臨界風速的風的概率和可能時間，進而合理規(guī)劃塔器的安裝和檢修時間，以避開具有接近或等于臨界風速的風，避免發(fā)生較嚴重的共振事故。

3 基于共振預防的塔器設計方法

根據(jù)以上提及的防振措施，并結(jié)合NB/T47041—2014《塔式容器標準釋義與算例》的算例5“橫風向振動時塔的強度校核與疲勞壽命計算”，可以提出基于共振預防的塔器設計校核思路。

3.1 出現(xiàn)接近或等于臨界風速的風概率較小時

當塔器所在地出現(xiàn)接近或等于臨界風速的風的概率很小時(幾乎不會出現(xiàn))，操作工況下塔頂振幅只需滿足限定值H/200即可(阻尼比取ζ≈0.01)，無需特別考慮共振發(fā)生時的疲勞強度。

3.2 出現(xiàn)接近或等于臨界風速的風率較大時

當塔器所在地出現(xiàn)接近或等于臨界風速的風的概率較大時，塔器的設計、安裝和檢修可以從以下幾個方面來考慮。

(1)進行塔頂共振振幅的計算時，安裝和檢修工況下的阻尼比宜較保守地選取ζ=0.02/(2π)(即ζ≈0.003)。

(2)若塔器上設置的管口、平臺以及直梯較多，則操作工況下的阻尼比可取ζ=0.01。

(3)操作、安裝和檢修工況下塔頂振幅應滿足限定值H/200。

(4)控制安裝和檢修工況下塔頂振幅小于危害值，即保證共振振幅處于較低值，允許的循環(huán)次數(shù)數(shù)值非常大，設備不會產(chǎn)生疲勞破壞。而這部分的計算可以通過NB/T47041-2014《塔式容器標準釋義與算例》的算例5中疲勞壽命計算方法或有限元分析來完成。

(5)若無法調(diào)整相關(guān)參數(shù)使得安裝和檢修工況下塔頂振幅小于危害值，則還需考慮以下措施來盡量減小共振的危害：①塔器的安裝和檢修工作應避開接近或等于臨界風速的風的可能出現(xiàn)時間；②塔器現(xiàn)場安裝時，平臺及附塔管道應與塔器同期安裝；③在塔高1/3處盡量多地布置沿塔軸向分布的附塔管道，管道方位可近似地按擾流片的安裝方位進行布置，力求最大地破壞漩渦脫落頻率；④可考慮與高徑比小于10的塔器一起設置聯(lián)合平臺；⑤塔器與其他設備相連的管道應盡快安裝，這些管道宜考慮在塔器外設置支點，有助于提高塔器系統(tǒng)的穩(wěn)定性；⑥若安裝和檢修工況下，塔頂共振振幅非常大，且有很大概率發(fā)生或已發(fā)生具有危害性的共振事故時，可考慮安裝擾流裝置或阻尼器。

4 結(jié)語

NB/T47041-2014《塔式容器》中提出了“當H/D>15，且H>30 m時，應計算橫風向風振動”，并給出了自支撐式塔式容器橫風向共振時的塔頂振幅和風彎矩的計算方法，但其并未明確給出橫風向風振校核合格的判斷依據(jù)。雖然新版的SW6軟件可填寫檢修工況下塔器的阻尼比，并計算了檢修工況的塔頂共振振幅，但其也未給出明確的校核結(jié)果。因此，還需要設計人員根據(jù)共振的塔頂振幅和風彎矩自行評判風誘導共振計算是否合格。

本文根據(jù)風誘導共振的機理，總結(jié)了塔器要發(fā)生有較大危害的共振現(xiàn)象的4個必要條件，并據(jù)此分析了塔器的幾個主要防振措施，提出了基于共振預防的塔器設計校核方法，以便為需考慮橫風向風振動的塔器設計計算、安裝和檢修工作提供參考。