塔器設(shè)計中的橫風(fēng)向振動

雷明華

（安徽省化工設(shè)計院，安徽 合肥230009）

·化工設(shè)備與自動化·

塔器設(shè)計中的橫風(fēng)向振動

雷明華

（安徽省化工設(shè)計院，安徽 合肥230009）

塔器振動事故時有發(fā)生，從塔器設(shè)計者的角度出發(fā)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合工程實踐，對塔器設(shè)計中碰到的橫風(fēng)向振動（誘導(dǎo)振動）提出了多種減振和防振措施。

塔器；橫風(fēng)向振動；誘導(dǎo)振動；減振；卡門渦街

近年來，塔器振動事故時有發(fā)生。塔器振動時，通過實際測量計算，塔頂振幅一般在0.2～0.8m，有時會達1m以上，同時現(xiàn)場還伴有很大響聲；另外，振動會造成塔頂管線法蘭泄漏，塔底裙座地腳螺栓松動，裝置操作性能下降或無法正常運行，塔體產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至造成塔體破壞等事故。

通常情況下，塔器在風(fēng)載荷作用下的振動分兩種情況：一種是順風(fēng)向振動，即塔器在風(fēng)力的作用下，沿風(fēng)向平行來回擺動；另一種是橫風(fēng)向振動，即誘導(dǎo)振動，塔器沿與風(fēng)向垂直方向上的來回擺動。相比而言，誘導(dǎo)振動機理復(fù)雜，理論計算難免同實際情況存在偏差，且誘導(dǎo)振動對塔器的危害性更大一些。

塔器振動誘導(dǎo)因素較多，導(dǎo)致塔器設(shè)計之初，常常未能對風(fēng)誘導(dǎo)振動的幾率、危害性給予準(zhǔn)確的評判并進行合理的控制，而只能等到發(fā)生誘導(dǎo)振動后才能考慮減振措施，但此時塔器周邊現(xiàn)場的條件受限，又限制了許多原本切實可行的減振措施的實施。

因而，塔器設(shè)計人員應(yīng)重視塔器的誘導(dǎo)振動，改進設(shè)計手段，完善設(shè)計計算，在設(shè)計階段就將誘導(dǎo)振動控制在合理的范圍內(nèi)。

1 橫風(fēng)向振動（誘導(dǎo)振動）的產(chǎn)生機理和條件

卡門渦街（圖1）是造成誘導(dǎo)振動的主要原因?？ㄩT渦街交替脫落時會產(chǎn)生振動，并發(fā)出聲響，這種聲響是卡門渦街周期性脫落時引起的流體壓強脈動所造成的聲波，如日常生活中聽到風(fēng)吹電線的風(fēng)鳴聲就是渦街脫落引起的。如果渦街的交替脫落頻率與物體的聲學(xué)駐波頻率相重合，還會出現(xiàn)共振。事實上，只要發(fā)生邊界層脫離，就可能出現(xiàn)卡門渦街。因此，有些水下設(shè)備或者航空設(shè)備都須做成流線型，以避免卡門渦街的破壞作用。

圖1 卡門渦街現(xiàn)象示意圖

因此，風(fēng)誘導(dǎo)塔器設(shè)備共振必須具備兩個條件：①存在卡門渦街現(xiàn)象；②風(fēng)誘導(dǎo)振動頻率等于塔器振動的固有頻率。

2 關(guān)于橫風(fēng)向振動（誘導(dǎo)振動）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求

NB/T47041《塔式容器》中7.6.2條款明確要求在“當(dāng)H/D＞15且H＞30m時，還應(yīng)計算橫風(fēng)向風(fēng)振”。

3 誘導(dǎo)共振的判定和塔體共振的計算

塔器誘導(dǎo)振動分析的重點是為了防止橫風(fēng)向共振，而卡門渦街漩渦脫落頻率或漩渦脫落周期是判斷塔器是否發(fā)生橫風(fēng)向共振的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)漩渦脫落頻率與塔器的任一固有頻率一致時，塔器將發(fā)生共振。若把發(fā)生共振時的風(fēng)速定義為臨界風(fēng)速νcr，則此時具有如下關(guān)系：

塔器共振的頻率f=塔器固有的頻率=漩渦脫落的頻率fs=漩渦產(chǎn)生的頻率

漩渦脫落頻率是指每秒鐘從流動中脫落出的漩渦數(shù)，而它可以通過斯托羅哈數(shù)（Strouhal Number）表示出來，代號St。即：

式中：fs為漩渦脫落頻率；D為塔體的外徑，對不等直徑的塔取加權(quán)平均值；ν為空氣流速。

臨界風(fēng)速νcr與塔器的共振頻率或周期有關(guān)，若塔器取第一振型的自振頻率，則對應(yīng)的是第一臨界風(fēng)速νcr1；若塔器取第二振型的自振頻率，則對應(yīng)的是第二臨界風(fēng)速νcr2。

因此：

臨界風(fēng)速可以用來判斷塔器是否發(fā)生橫向風(fēng)振，倘若設(shè)計風(fēng)速νD在下述條件下，則有：

設(shè)計風(fēng)速νD取塔設(shè)備頂部風(fēng)速。

實際上，最經(jīng)濟有效的防振措施是在設(shè)計階段認(rèn)真地對塔器進行振動分析。如果塔器不發(fā)生共振，或雖發(fā)生共振，但塔器的振幅與所受的載荷均未超過規(guī)定的界限，則無需采取進一步的防振措施。即使發(fā)生振動，振幅也不應(yīng)超過塔器高度的1/200。

NB/T47041《塔式容器》中第7.6.2.3，7.6.2.4，7.6.2.5條款中有塔體共振的計算方法。在SW6軟件中也有相應(yīng)的情況計算，設(shè)計者自行進行計算和判斷即可。

4 塔器防振的對策

塔器防振措施有多種，其中主要有：

（1）增大塔器的自振周期

降低塔器高度，增加塔器的直徑都可增大塔器的自振周期，但必須與工藝操作條件結(jié)合起來一同考慮；加大塔體壁厚或采用密度小、彈性模量大的結(jié)構(gòu)材料也可增大塔器的自振周期；如果條件許可，在相應(yīng)于塔的第二振型曲線節(jié)點位置處加設(shè)一個鉸支座，可以有效達到增大自振周期的目的。

（2）增加塔的阻尼

增加塔的阻尼對抑制塔的振動起很大作用。塔盤上的液體或填料都是有效的阻尼物。研究表明，塔盤上的液體可以將振幅減少10%。

（3）采用擾流裝置

梯子、平臺和外部擾流件都能起到擾亂卡門渦街的作用。實踐證明，在大型塔器上部1/3高度的部分焊上軸向式翅片或螺旋條有很好的防振效果。螺旋形翅片比軸向式翅片的效果更好。經(jīng)驗表明，裝有螺旋形翅片的塔器相較裝有軸向式翅片的塔器振幅減少2/3左右。

NB/T47041《塔式容器》第8.6條款提醒現(xiàn)場安裝時，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置獨立的平臺，且平臺及附塔管道應(yīng)與塔器同期安裝，以防止獨立塔體發(fā)生橫風(fēng)向共振。NB/T47041《塔式容器》第8.6.2條款指出，必要時，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置螺旋形擾流片。

若塔器已安裝或制造就位后，已發(fā)生超過其允許的振動，則應(yīng)采取措施以防止振動的產(chǎn)生或是將振動的危害性降到最低。常見的措施有：

（1）支撐法：采用交叉式或固定裝置進行支撐，使塔設(shè)備固定。

（2）拉索法：設(shè)置拉索或纜繩固定塔器，就如同常見的高聳煙囪利用拉索或纜繩進行固定一樣。此法最大的缺點是需要有足夠的拉索或纜繩布置空間。若能實施，對減振效果明顯。

（3）框架法：在塔器外圍設(shè)置框架，此法跟支撐法有異曲同工之妙，可利用框架與塔器進行固定，框架及支撐又可以破壞卡門渦街的形成。

（4）擾流片法：在塔器上部1/3高度的部分安裝螺旋形翅片或軸向式翅片。此法在塔器上實施起來有一定的難度。一般此時塔器通常有外保溫層或安裝有較多的塔器附件（如梯子、塔平臺、管線等）。

（5）鏈條法：在塔器的平臺或外壁懸掛橡膠或軟質(zhì)材料包裹的鐵鏈條。鐵鏈條及其附屬材料應(yīng)固定牢靠，以防發(fā)生意外。

（6）設(shè)置液體或剛體質(zhì)量阻尼器：在塔器不同高度處，安裝液體或剛體質(zhì)量阻尼器。液體阻尼器常見的為封閉水箱，在塔器振動時，由于液體（常用介質(zhì)為水）與塔體的不同步，這種晃動與塔器的振動疊加后，對高聳塔器的減振尤其明顯；另外，剛體質(zhì)量阻尼器通過改變塔器整體結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼達到減振的目的。但此法造價比較高，增加塔器自身負(fù)重，因此一般不采用。

（7）安裝附件法：塔器安裝就位后，盡快緊固地腳螺栓；同時，應(yīng)盡快安裝平臺、梯子、管線及塔內(nèi)件（塔盤、塔板、填料等）。

（8）其他方法：合理布置塔器的平臺、梯子、管線和其他附件。設(shè)備專業(yè)人員可以協(xié)同其他設(shè)計專業(yè)人員進行合理布置。考慮塔器所在地的風(fēng)向，不增加塔器附加荷載等等，這樣也有利于減振和防振。

5 結(jié)束語

塔器發(fā)生橫風(fēng)向振動（誘導(dǎo)振動）的事例已多次出現(xiàn)，給企業(yè)帶來不安全隱患或事故。因此，設(shè)計人員應(yīng)從本質(zhì)化安全角度出發(fā)，采用多種方法進行減振或防振，控制塔器的橫風(fēng)向振動（誘導(dǎo)振動）。不論是設(shè)計之時還是事后振動的補救，應(yīng)多從設(shè)計者的角度和實際出發(fā)，采用經(jīng)濟合理的措施。

[1]NB/T47041-2014，塔式容器[S].

[2]GB150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

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10.3969/j.issn.1008-553X.2016.05.026

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1008-553X（2016）05-0088-03

2016-05-17

雷明華（1980-），男，高級工程師，從事設(shè)備設(shè)計工作，13865906990，0551-64653867，1902745778@qq.com。