65m高鋼制排氣筒消除橫風(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)振分析

王志雅

(上?；ヂ?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(fēng)向風(fēng)振的實例，對照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對原設(shè)計進(jìn)行分析，說明設(shè)計缺陷同發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振存在因果關(guān)系，總結(jié)發(fā)生及消除橫風(fēng)向風(fēng)振的經(jīng)驗教訓(xùn)，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(fēng)向風(fēng)振；破風(fēng)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(fēng)壓為400N/m2，環(huán)境空曠，周圍沒有影響風(fēng)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(dāng)?shù)剡M(jìn)入每年的多風(fēng)季節(jié)，每當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)力持續(xù)達(dá)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(dá)到220mm，晃動方向大致垂直于風(fēng)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(fēng)向風(fēng)振，為背風(fēng)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(fēng)向旋渦脫落共振可能導(dǎo)致排氣筒結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)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(fēng)圈的補(bǔ)救措施。按JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義以及GB50051-2002《煙囪設(shè)計規(guī)范》，破風(fēng)圈用200mm×6mm扁鋼預(yù)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(fēng)圈的改造于當(dāng)年8月完成。此后至今，雖然多次遇見持續(xù)大風(fēng)天氣，排氣筒再未出現(xiàn)明顯的風(fēng)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(fēng)、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(xì)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(jìn)行強(qiáng)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(fù)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(yùn)用SW6進(jìn)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(fēng)載荷計算、地腳螺栓校核、橫風(fēng)向風(fēng)振的判斷等等方面，都具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性，采用SW6進(jìn)行排氣筒設(shè)計計算應(yīng)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(fēng)速為9.50m/s，設(shè)計風(fēng)速為34.11m/s，提示排氣筒將會發(fā)生第一振型橫風(fēng)向共振。按JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》規(guī)定，當(dāng)有橫風(fēng)向共振發(fā)生時，需要進(jìn)行兩個方向風(fēng)彎矩合成后的強(qiáng)度校核，SW6會自動進(jìn)行校核計算并給出是否校核合格的結(jié)論。但標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定是否需要進(jìn)一步考慮其它形式的失效(如疲勞)，設(shè)計人員應(yīng)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(qiáng)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(fēng)向風(fēng)振導(dǎo)致的破壞多數(shù)不是強(qiáng)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(rèn)為至此排氣筒設(shè)計計算已經(jīng)合格，沒有進(jìn)一步判斷橫風(fēng)向風(fēng)振的后果并考慮預(yù)防風(fēng)振的措施，以致于設(shè)備出現(xiàn)危及安全的風(fēng)振問題后，不得不回過頭來采取加裝破風(fēng)圈的補(bǔ)救措施。

排氣筒發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振時業(yè)主曾經(jīng)測得地面風(fēng)速為6.5m/s，按此折算排氣筒頂部風(fēng)速為8.8m/s，這與SW6計算書臨界風(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(diǎn)看，它其實就是自立式鋼煙囪，其設(shè)計應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)煙囪的臨界風(fēng)速小于6～7m/s時，應(yīng)設(shè)置破風(fēng)圈。當(dāng)煙囪的臨界風(fēng)速為7～13.4m/s，且小于設(shè)計風(fēng)速時，而用改變煙囪高度、直徑和增加厚度等措施不經(jīng)濟(jì)時，也可設(shè)置破風(fēng)圈?！庇嬎銜贸雠R界風(fēng)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(jì)，此時只有選擇設(shè)置破風(fēng)圈最為經(jīng)濟(jì)可行。所以，對于本文所述的排氣筒理應(yīng)在設(shè)計階段就設(shè)置破風(fēng)圈，避免發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振后再實施加裝破風(fēng)圈改造，從而避免因發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振造成的安全風(fēng)險，以及因整改而發(fā)生的停產(chǎn)和額外施工的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)于減緩或防止橫風(fēng)向風(fēng)振的措施，JB/T4710-2005(標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)相近；對于螺旋形翅片的尺寸，兩標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)來制訂的，就風(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)的作用下，不但順風(fēng)向產(chǎn)生風(fēng)振響應(yīng)，而且橫風(fēng)向必然產(chǎn)生旋渦脫落風(fēng)振，當(dāng)橫風(fēng)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(fēng)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(dǎo)。本文報道的65m鋼制排氣筒(即自立式鋼煙囪)發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振的實例，其設(shè)計同發(fā)生危及安全的橫風(fēng)向風(fēng)振存在因果關(guān)系，其后采取加裝螺旋破風(fēng)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(xùn)，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(xiàn)：

[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(fēng)向旋渦脫落共振響應(yīng)分極及在規(guī)范上的應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，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(xiàn)標(biāo)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