碳四裝置塔器風(fēng)誘導(dǎo)共振原因分析與對(duì)策

宋全祝

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京市東城區(qū)，100011）

由神華集團(tuán)公司投資建設(shè)的某煤化工項(xiàng)目，為進(jìn)一步提高副產(chǎn)品碳四的綜合利用價(jià)值，于2011年初開(kāi)工建設(shè)神華某碳四裝置，到2012年5月完成管道安裝。在裝置 “三查四定”期間，發(fā)現(xiàn)脫除塔 （T-1402）和精餾塔 （T-1403）風(fēng)振劇烈。6月4日進(jìn)行氮?dú)庠噳簳r(shí)，發(fā)現(xiàn)精餾塔頂法蘭泄露，初步判斷此處泄露與塔器的撓度超標(biāo)有關(guān)。碳四裝置現(xiàn)場(chǎng)情況詳見(jiàn)圖1，圖中最高的兩臺(tái)設(shè)備為脫除塔和精餾塔。

1 兩臺(tái)塔設(shè)計(jì)參數(shù)

脫除塔和精餾塔按照 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 （TSGR0004-2009）、 《鋼制壓力容器》（GB150-1998）、《鋼制塔式容器》（JB／T4710-2005）進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，其設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 碳四裝置現(xiàn)場(chǎng)照片

表1 脫除塔和精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)

脫除塔和精餾塔為獨(dú)立布置，設(shè)備間距為12000mm。這兩臺(tái)設(shè)備由上海某工程公司設(shè)計(jì)，江蘇某壓力容器制造廠制造。

2 風(fēng)振原因分析

塔器設(shè)備是直立的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)載荷是一種經(jīng)常作用的重要載荷。風(fēng)載荷對(duì)塔器的作用有兩項(xiàng)，在順風(fēng)向承受風(fēng)力作用時(shí)產(chǎn)生與風(fēng)向相同的振動(dòng)；在垂直于風(fēng)向方向，由于受到風(fēng)力作用而產(chǎn)生橫向振動(dòng)，其振動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓形的軌道。橫風(fēng)向振動(dòng)，也稱(chēng)誘導(dǎo)振動(dòng)，其對(duì)設(shè)備的危害性比順風(fēng)向振動(dòng)更大。

一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的塔器設(shè)備可看為圓柱體在速度為V的風(fēng)中佇立，在圓截面上作用著兩個(gè)力，即順風(fēng)向的阻力和垂直方向的側(cè)向力。側(cè)向力的產(chǎn)生是由于風(fēng)在吹向圓柱體時(shí)，平行的氣流受到干擾，在圓柱體背后兩側(cè)周期性交替形成旋渦，從塔體有規(guī)律地脫落形成渦街被稱(chēng)為卡曼渦街。旋渦脫落時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直于風(fēng)向的側(cè)向力，因而側(cè)向力也是周期性交替地作用在塔體上，使得塔體產(chǎn)生垂直于風(fēng)向的橫向振動(dòng) （又稱(chēng)風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)）。橫向力作用頻率（即旋渦的脫落頻率）一旦與塔器的自振頻率相近或相等時(shí)，塔器將會(huì)發(fā)生共振。共振時(shí)塔器將產(chǎn)生很大的振幅和內(nèi)力，其內(nèi)力值將數(shù)倍于順風(fēng)向振動(dòng)所產(chǎn)生的內(nèi)力值，這是非常危險(xiǎn)的。

在國(guó)內(nèi)，塔器發(fā)生誘導(dǎo)共振的事例已多次出現(xiàn)。例如：天津乙烯生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備乙烯精餾塔，高74.537m，內(nèi)徑2.45m，系從西班牙進(jìn)口。1994年6 月下旬，已處于安裝階段的后期，只待裝入全部塔板，便可準(zhǔn)備試運(yùn)行。但在6 月23～24日下午遇到3～4級(jí)陣風(fēng)，塔體發(fā)生劇烈的振動(dòng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3h，塔振動(dòng)方向與風(fēng)向垂直。用儀器測(cè)量塔頂振幅，沿風(fēng)向的為15 mm，而垂直于風(fēng)向的為325 mm，為前者的21.75 倍。振動(dòng)頻率約為0.4 Hz，接近于塔的自振頻率。分析表明這起事故是卡曼旋渦誘發(fā)的振動(dòng)。又如：2008年，國(guó)內(nèi)另一乙烯裝置脫甲烷塔 （直徑為2600mm／3600mm，高77700mm，尚未投產(chǎn)就發(fā)生了風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)，并導(dǎo)致設(shè)備多處嚴(yán)重開(kāi)裂。

因此，在塔器設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)校驗(yàn)，使塔器的強(qiáng)度和疲勞壽命能滿足風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的要求。

旋渦的形成和脫落，與流體 （空氣）流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù) （Re）有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù) （Re）＜5時(shí)為無(wú)分離流動(dòng)階段；5～15≤Re＜40時(shí)尾流中出現(xiàn)一對(duì)穩(wěn)定的旋渦；40≤Re＜90時(shí)及90≤Re＜150時(shí)渦道呈層流的兩個(gè)階段；150≤Re＜300時(shí)為過(guò)渡階段，旋渦脫落很不規(guī)則；300≤Re＜3×105范圍內(nèi)旋渦脫落重新變得規(guī)律和呈周期性；3×105≤Re＜3.5×106 時(shí)卡曼渦街消失；Re＞3.5×106時(shí)卡曼渦街重新出現(xiàn)。所以工程上劃分3個(gè)臨界區(qū)域：亞臨界區(qū)、過(guò)渡區(qū)和超臨界區(qū)。亞臨界區(qū)通常取300≤Re＜3×105，過(guò)渡區(qū)為3×105≤Re＜3.5×106，而超臨界區(qū)為Re≥3.5×106。

由于誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的研究也不過(guò)十余年，直到近幾年，誘導(dǎo)振動(dòng)的問(wèn)題才逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)塔器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——JB／T4710-2005 《鋼制塔式容器》以前的版本及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)誘導(dǎo)振動(dòng)的計(jì)算及控制方法做出規(guī)定，因此，絕大多數(shù)塔器設(shè)備設(shè)計(jì)均未考慮誘導(dǎo)振動(dòng)問(wèn)題。JB 4710-2005發(fā)布后，雖然增加了附錄A “橫風(fēng)向的風(fēng)力和風(fēng)彎矩計(jì)算”，提出了高度（H）大于30m、高徑比H／D 大于15的塔器在共振時(shí)橫風(fēng)力的計(jì)算方法，目前通用的塔器計(jì)算軟件SW6，雖然據(jù)此增加了橫風(fēng)力計(jì)算的功能，但還不能稱(chēng)其為完整的振動(dòng)分析，計(jì)算書(shū)中甚至還沒(méi)有給出明確的提示和結(jié)論。

脫除塔設(shè)備總高為78779mm，遠(yuǎn)大于30 m，高度和直徑之比39.39，遠(yuǎn)大于15；精餾塔總高為80370mm，遠(yuǎn)大于30m，高度和直徑之比33.49，遠(yuǎn)大于15。按照 《鋼制塔式容器》 （JB／T4710-2005）附錄A “橫風(fēng)向的風(fēng)力和風(fēng)彎矩計(jì)算”的要求，需要計(jì)算塔器共振時(shí)橫風(fēng)力和風(fēng)彎矩。采用SW6對(duì)脫除塔和精餾塔誘導(dǎo)振動(dòng)的部分計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 脫除塔和精餾塔橫誘導(dǎo)振動(dòng)的部分計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出，脫除塔 （T-1402）雷諾數(shù)（Re）為6.39×106，大于3.5×106，屬于超臨界區(qū)，由于設(shè)計(jì)風(fēng)速 （v）為42.41 m／s，當(dāng)風(fēng)速接近第一陣型臨界風(fēng)速 （VC1）為2.63m／s時(shí)，塔器會(huì)發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)共振；風(fēng)速超過(guò)2.63m／s時(shí)，塔器風(fēng)振將會(huì)減弱；當(dāng)風(fēng)速接近第二陣型臨界風(fēng)速（VC2）為13.54m／s時(shí)，塔器會(huì)再次發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)共振；風(fēng)速超過(guò)13.54m／s時(shí)，塔器風(fēng)振再次減弱。

精餾塔 （T-1403）雷諾數(shù) （Re）為7.60×106，大于3.5×106，屬于超臨界區(qū)，由于設(shè)計(jì)風(fēng)速 （v）為42.56 m／s，當(dāng)風(fēng)速接近第一陣型臨界風(fēng)速 （VC1）為3.21m／s時(shí)，塔器會(huì)發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)共振；風(fēng)速超過(guò)3.21m／s時(shí)，塔器風(fēng)振將減弱；當(dāng)風(fēng)速接近第二陣型臨界風(fēng)速 （VC2）為17.31 m／s時(shí)，塔器會(huì)再次發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)共振；風(fēng)速超過(guò)17.31 m／s時(shí)，塔器風(fēng)振將減弱。

當(dāng)風(fēng)速在2.63～17.31m／s范圍變化時(shí)，隨時(shí)有可能引起脫除塔和精餾塔發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)共振，而設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)上未采取任何的防振措施。第一、二、三階陣型曲線圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 第一、二、三階陣型曲線

3 兩塔防振措施

為了減少風(fēng)誘導(dǎo)共振對(duì)直立的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)備的影響，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)詳細(xì)分析，塔器設(shè)備可采取以下幾種防振措施。

3.1 增大塔的自振周期

增加塔的直徑，降低塔高都可增大塔的自振周期，但必須與工藝操作條件結(jié)合起來(lái)一同考慮；加大壁厚或采用密度小、彈性模量大的結(jié)構(gòu)材料也可增大塔的自振周期；如果條件許可，在相應(yīng)于塔的第二振型曲線節(jié)點(diǎn)位置處加設(shè)一個(gè)鉸支座，可以有效達(dá)到增大自振周期的目的。由于脫除塔 （T-1402）和精餾塔 （T-1403）已經(jīng)完成制造和安裝，增加塔的直徑，降低塔高或改變?cè)O(shè)備的材料都是不現(xiàn)實(shí)。

3.2 增加塔的阻尼

增加塔的阻尼對(duì)抑制塔的振動(dòng)起很大的作用。塔盤(pán)上的液體或填料都是有效的阻尼物。有的研究表明，塔盤(pán)上的液體可以將減少振幅10%。脫除塔 （T-1402）和精餾塔 （T-1403）發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)共振時(shí)設(shè)備還未投入使用。當(dāng)這兩臺(tái)塔器投料后，塔的阻尼系數(shù)將增大，改變其自振周期，其風(fēng)振會(huì)減小。

圖3 軸向翅片擾流板示意圖

3.3 采用擾流裝置

實(shí)踐證明，塔器設(shè)備上的平臺(tái)、梯子和外部設(shè)置擾流裝置都能起到擾亂卡曼旋渦的作用。一般擾流裝置采用兩種形式，一種是軸向翅片擾流板，另外一種是螺旋擾流板。

（1）軸向翅片擾流板。

為了防止或減緩塔的振動(dòng)，參照國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可在塔頂上部占塔高1／3 的范圍內(nèi)設(shè)置軸向翅片擾流板，詳見(jiàn)圖3，翅片長(zhǎng)度 （L）為塔直徑 （D）的0.75～0.9 倍。翅片寬度 （b）為塔直徑 （D）的0.09倍。同一圓周上的翅片數(shù)為4，相互間的夾角為90°。相鄰圓周上的翅片彼此錯(cuò)開(kāi)30°角。裝上軸向翅片的直立設(shè)備，振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振幅，預(yù)期為無(wú)翅片時(shí)的1／3。

（2）螺旋擾流板。

一般布置在圓柱形設(shè)備上部總高1／3 的范圍內(nèi)加設(shè)螺旋擾流板，其結(jié)構(gòu)形式詳見(jiàn)圖4。翅片呈螺旋形，頭數(shù)一般為3，相互間錯(cuò)開(kāi)120°。螺距（L）為直徑 （D）的5 倍，翅片寬度為直徑 （D）的0.1倍。螺旋擾流板比軸向翅片擾流板防振效果更好。

為了確保脫除塔和精餾塔設(shè)計(jì)的安全可靠，實(shí)現(xiàn)兩塔設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，本項(xiàng)目于2012年7月23日在北京組織召開(kāi) “兩塔風(fēng)振問(wèn)題專(zhuān)家評(píng)審會(huì)”。本次評(píng)審會(huì)特別邀請(qǐng)了3位國(guó)內(nèi)知名的壓力容器專(zhuān)家參加。專(zhuān)家組首先聽(tīng)取了有關(guān)項(xiàng)目總體情況介紹，以及設(shè)計(jì)單位對(duì)脫除塔和精餾塔設(shè)計(jì)情況的介紹。專(zhuān)家們對(duì)脫除塔和精餾塔發(fā)生風(fēng)振原因、防振措施進(jìn)行了認(rèn)真地討論，最終形成并簽署了專(zhuān)家意見(jiàn)。專(zhuān)家建議從塔頂向下35m 加設(shè)螺旋擾流板，考慮今后可根據(jù)需要再增設(shè)一些擾流板，建議一次性設(shè)置擾流板支架于塔上部1／2范圍。

設(shè)計(jì)院按照專(zhuān)家意見(jiàn)對(duì)脫除塔和精餾塔進(jìn)行加設(shè)螺旋擾流板設(shè)計(jì)。脫除塔和精餾塔均按照從塔頂向下35m 加螺旋擾流板，均設(shè)置3頭螺旋擾流板，相互間錯(cuò)開(kāi)120°，并最終讓江蘇某壓力容器制造廠負(fù)責(zé)對(duì)脫除塔和精餾塔加設(shè)螺旋擾流板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

4 防振實(shí)施效果

為了驗(yàn)證防振措施實(shí)施效果，本項(xiàng)目與中電投工程研究所檢測(cè)評(píng)估中心合作，測(cè)定脫除塔和精餾塔加設(shè)螺旋擾流板前后的振動(dòng)特性，包括一階頻率、阻尼比及振動(dòng)位移，以便對(duì)防振效果做出評(píng)判。

圖4 螺旋擾流板示意圖

4.1 振動(dòng)特性檢測(cè)

脫除塔 （T-1402）和精餾塔 （T-1403）的振動(dòng)特性需要檢測(cè)識(shí)別，并分成三個(gè)工況檢測(cè)：

工況1：加設(shè)塔器擾流器前有介質(zhì)的工況；

工況2：加設(shè)塔器擾流器前空塔的工況；

工況3：增設(shè)擾流裝置后的工況。

本次檢測(cè)選取脫除塔 （T-1402）距離地面35.02m 平臺(tái)作為該塔數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，精餾塔 （T-1403）距離地面35.42 m 的平臺(tái)為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，檢測(cè)測(cè)點(diǎn)為選定的2個(gè)，如圖5所示。在測(cè)點(diǎn)布置了1個(gè)水平向低頻振動(dòng)拾振器，分別采集在風(fēng)載荷下塔的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

兩塔振動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間段3 個(gè)，分別為2012年8月22日、2012年10月11日、2013年3月28日，對(duì)約定的3個(gè)工況進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。

低頻振動(dòng)拾振器的布置方向選擇塔晃動(dòng)最大的方向，數(shù)據(jù)采集頻段選取0～12 Hz頻段。在選定時(shí)段內(nèi)測(cè)得的振動(dòng)位移最大值見(jiàn)表3。

圖5 兩塔測(cè)點(diǎn)布置圖

表3 測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)位移

根據(jù)有限元模型的計(jì)算結(jié)果，在外界擾力作用下，兩塔的頂部位移與檢測(cè)點(diǎn)的最大位移比值，分別為4.39和4.43，根據(jù)塔的受激勵(lì)后的振型計(jì)算在三種工況下的檢測(cè)的時(shí)段，塔頂最大位移詳見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)載荷下塔頂最大位移

對(duì)兩塔在受風(fēng)載荷下的振動(dòng)數(shù)據(jù)做FFT 變換，得到塔的振動(dòng)信號(hào)功率譜數(shù)據(jù)，通過(guò)與有限元模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，識(shí)別塔的一階固有頻率，利用半功率法計(jì)算固有頻率對(duì)應(yīng)的阻尼比。風(fēng)載荷激勵(lì)作用下的測(cè)得塔的一階固有頻率及對(duì)應(yīng)的阻尼比詳見(jiàn)表5。

4.2 檢測(cè)結(jié)論

在3種工況下，檢測(cè)計(jì)算得脫除塔的最大振動(dòng)位移分別為0.57m、0.92m、0.0114m。增設(shè)螺旋擾流板后的工況 （工況3）后，脫除塔的最大振動(dòng)位移分別是工況1和工況2的2%和1.2%；精餾塔的最大振動(dòng)位移分別為0.49 m、1.02 m、0.0128 m。增設(shè)螺旋擾流板后的工況 （工況3）后，精餾塔的最大振動(dòng)位移分別是工況1和工況2的2.6%和1.3%。增設(shè)擾流裝置后，對(duì)于減少塔器的最大振幅效果明顯。

表5 塔的一階固有頻率及阻尼比檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

脫除塔和精餾塔未加擾流器前，有介質(zhì)的工況最大振動(dòng)位移較大，尤其在空塔工況振動(dòng)最大，增設(shè)擾流器后最大振動(dòng)位移明顯減少，說(shuō)明通過(guò)增加螺旋擾流板大大提高了塔在風(fēng)作用下的等效阻尼，取得了比較好的效果。

誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)塔器等直立設(shè)備的危害比順風(fēng)向振動(dòng)更大，目前國(guó)內(nèi)塔器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)—— 《鋼制塔式容器》（JB／T4710-2005）附錄A，作為振動(dòng)分析的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)，具有十分重要的作用，但目前設(shè)計(jì)院常用的SW6塔器計(jì)算軟件還不能給出完整的振動(dòng)判斷結(jié)果。需要設(shè)計(jì)者根據(jù)SW6 塔器計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行進(jìn)一步分析和判斷，提出合理避免誘導(dǎo)振動(dòng)的解決方案。

［1］ TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 ［S］

［2］ GB150-2011，壓力容器 ［S］

［3］ JB／T4710-2005，鋼制塔式容器 ［S］

［4］ SH／T3098-2011，石油化工塔器設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］

［5］ 路秀林，王者相.化工設(shè)備全書(shū)—塔設(shè)備 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004