塔器的風(fēng)誘導(dǎo)共振分析和預(yù)防設(shè)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(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，其投資占整個工藝設(shè)備投資費用的比例較大。因此，塔設(shè)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(shè)備，從設(shè)計到安裝，甚至于檢修都應(yīng)引起足夠的重視。近年來，塔設(shè)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(shè)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(fēng)誘導(dǎo)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(yù)防的塔器設(shè)計校核方法。

1 風(fēng)誘導(dǎo)共振的機理

風(fēng)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(fēng)力作用下的塔器，旋渦形成的情況也不同。當(dāng)風(fēng)以一定的速度繞流圓柱形的塔設(shè)備時，在150

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

2 防振措施

根據(jù)風(fēng)誘導(dǎo)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(shè)計風(fēng)速高于(第一)臨界風(fēng)速；塔設(shè)備所在項目現(xiàn)場的風(fēng)速接近或等于臨界風(fēng)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(shè)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(shè)備工藝性能，即使發(fā)生共振也不會影響到設(shè)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(shè)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(fēng)速公式(2)可以看出：塔的自振周期越小，臨界風(fēng)速越大。因此，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整塔設(shè)備的高度、內(nèi)徑以及壁厚，就可以把臨界風(fēng)速調(diào)整到設(shè)計風(fēng)速以上，從而避免共振的發(fā)生。但是，由于設(shè)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(dāng)臨界風(fēng)速的風(fēng)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(chǔ)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(biāo)。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(fēng)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(fēng)阻尼器(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)來達到。風(fēng)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(fēng)阻尼器的應(yīng)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(shè)備上的應(yīng)用較少，但其對高聳塔的風(fēng)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(shè)備所在項目現(xiàn)場的風(fēng)速接近或等于臨界風(fēng)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(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可預(yù)測塔器所在地出現(xiàn)接近或等于臨界風(fēng)速的風(fēng)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(fēng)速的風(fēng)，避免發(fā)生較嚴重的共振事故。

3 基于共振預(yù)防的塔器設(shè)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(biāo)準釋義與算例》的算例5“橫風(fēng)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(yù)防的塔器設(shè)計校核思路。

3.1 出現(xiàn)接近或等于臨界風(fēng)速的風(fēng)概率較小時

當(dāng)塔器所在地出現(xiàn)接近或等于臨界風(fēng)速的風(fēng)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(fēng)速的風(fēng)率較大時

當(dāng)塔器所在地出現(xiàn)接近或等于臨界風(fēng)速的風(fēng)的概率較大時，塔器的設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(biāo)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(yīng)避開接近或等于臨界風(fēng)速的風(fēng)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(yīng)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(shè)置聯(lián)合平臺；⑤塔器與其他設(shè)備相連的管道應(yīng)盡快安裝，這些管道宜考慮在塔器外設(shè)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(dāng)H/D>15，且H>30 m時，應(yīng)計算橫風(fēng)向風(fēng)振動”，并給出了自支撐式塔式容器橫風(fēng)向共振時的塔頂振幅和風(fēng)彎矩的計算方法，但其并未明確給出橫風(fēng)向風(fēng)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(shè)計人員根據(jù)共振的塔頂振幅和風(fēng)彎矩自行評判風(fēng)誘導(dǎo)共振計算是否合格。

本文根據(jù)風(fēng)誘導(dǎo)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(yù)防的塔器設(shè)計校核方法，以便為需考慮橫風(fēng)向風(fēng)振動的塔器設(shè)計計算、安裝和檢修工作提供參考。