高聳塔器風(fēng)致振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與疲勞分析①

徐 樂(lè) 譚 蔚 賈占斌 杜怡安 樊顯濤

(天津大學(xué)化工學(xué)院)

塔器是化工行業(yè)中典型的高聳設(shè)備，一般安裝在室外，在工作時(shí)會(huì)同時(shí)受到順風(fēng)向與橫風(fēng)向風(fēng)荷載的作用。順風(fēng)向荷載與振動(dòng)方向一致，橫風(fēng)向荷載與振動(dòng)方向垂直，后者往往在高聳塔器的風(fēng)致振動(dòng)中起主要作用[1]。

隨著裝備制造水平的提高，塔器朝著高參數(shù)、大型化發(fā)展，塔器的高徑比不斷增加，結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越柔，使得風(fēng)致振動(dòng)事故不斷發(fā)生[2～4]。塔器振動(dòng)輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)效率，重則損害設(shè)備，危害生產(chǎn)安全。塔器在正常操作狀態(tài)下，由于塔體中填料(或塔板)、物料的存在，阻尼比較大，不易發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)。但當(dāng)塔器處于停車檢修等空塔狀態(tài)時(shí)，阻尼比減小，極易發(fā)生振幅較大的風(fēng)致振動(dòng)，有研究者進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道[5]。目前針對(duì)塔器風(fēng)致振動(dòng)的研究多為數(shù)值模擬計(jì)算，缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持[6]。

筆者針對(duì)一座停車檢修的塔器風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[7，8]，對(duì)塔器進(jìn)行了振動(dòng)分析和疲勞校核，以期為塔器風(fēng)致振動(dòng)分析和疲勞校核提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

測(cè)試實(shí)驗(yàn)是針對(duì)某石化公司高約75m的精

餾塔開(kāi)展的，該塔器經(jīng)歷了為期30天的停車檢修，在塔器靜置的過(guò)程中，發(fā)生了較為明顯的橫風(fēng)向振動(dòng)，塔器的相關(guān)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 1.0MPa

設(shè)計(jì)溫度 145℃

內(nèi)徑 1 400mm

總高 76 725mm

殼體厚度 14～44mm

材料 Q345R

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器是DHDAS高速靜態(tài)應(yīng)變采集儀、DHDAS無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀、壓阻式加速度傳感器、高靈敏度應(yīng)變片、風(fēng)速儀及風(fēng)向儀等。在180°的第5層平臺(tái)壁面處均布4個(gè)加速度傳感器探頭，平臺(tái)高度為47.8m，在底部距基礎(chǔ)環(huán)板0.1m處沿環(huán)向均布應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

近地面處應(yīng)變片采集的信號(hào)通過(guò)連接線傳輸給計(jì)算機(jī)，47.8m處加速度探頭采集的信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺魉徒o計(jì)算機(jī)。配套的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)可以完成振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、保存和后處理。采集環(huán)境荷載對(duì)塔器進(jìn)行激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，將獲得的信號(hào)綜合運(yùn)用自功率譜密度函數(shù)和隨機(jī)減量法識(shí)別塔器的模態(tài)參數(shù)。相較于傳統(tǒng)塔器模態(tài)參數(shù)測(cè)量時(shí)綁定鋼索、集中力激振等方法，環(huán)境激勵(lì)的方法不會(huì)損傷塔器器壁，也不需要昂貴的激振設(shè)備，只需利用傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號(hào)即可，該方法易操作且經(jīng)濟(jì)性高[9]。測(cè)試參數(shù)和環(huán)境參數(shù)如下：

圖1 應(yīng)變和加速度測(cè)點(diǎn)設(shè)置

最大風(fēng)速 6.4m/s

加速度測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù) 4

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù) 8

采樣時(shí)長(zhǎng) 1 800s

加速度采樣頻率 100Hz

應(yīng)變采樣頻率 20Hz

測(cè)得塔器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和后處理結(jié)果如圖2所示。圖2a、b為測(cè)點(diǎn)加速度原始數(shù)據(jù)和FFT結(jié)果，由此可以得到塔器一階、二階固有頻率分別為0.256、1.398Hz。圖2c為測(cè)試過(guò)程中截取的發(fā)生橫風(fēng)向振動(dòng)的應(yīng)變曲線，由曲線可得發(fā)生振動(dòng)時(shí)裙座處軸向應(yīng)變?yōu)?.1με，并由此曲線可計(jì)算出此時(shí)塔器振動(dòng)的頻率為0.259Hz，非常接近塔器一階固有頻率，證明塔器發(fā)生了一階橫風(fēng)向振動(dòng)。圖2d為對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)減量處理后得到的自由衰減曲線，由自由衰減曲線可計(jì)算出塔器阻尼比為0.004 2，該阻尼比小于按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)阻尼比取值0.01。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及后處理結(jié)果

NB/T 47041-2014中公式(16)給出了等直徑變壁厚塔器的一階固有頻率計(jì)算公式，將塔體按照不同壁厚分為7個(gè)計(jì)算段，計(jì)算出一階固有頻率為0.221Hz。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值小13.6%，這是由于標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算時(shí)，塔體按照操作質(zhì)量選取，而測(cè)試塔器處于檢修狀態(tài)，質(zhì)量較小，因而一階固有頻率大于操作狀態(tài)。

根據(jù)NB/T 47041-2014中公式(39)橫風(fēng)向塔頂振幅計(jì)算公式，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的參數(shù)(一階固有頻率0.256Hz，阻尼比0.004 2)代入公式(39)，可算出塔頂橫風(fēng)向振幅為83mm?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控曾記錄下塔器發(fā)生振動(dòng)時(shí)的視頻錄像，由后期高速攝影圖像處理軟件，計(jì)算出當(dāng)時(shí)橫風(fēng)向振動(dòng)位移為91mm，與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值相差8.7%，可以認(rèn)為在獲取到塔器現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的塔器橫風(fēng)向位移是較為準(zhǔn)確的。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，由于應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置與塔器振動(dòng)方向呈一定角度，因此不便于通過(guò)理論方法計(jì)算，筆者采用數(shù)值模擬計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47041-2014采用振動(dòng)理論，在計(jì)算得到橫風(fēng)向塔頂振幅后，用共振時(shí)慣性力計(jì)算等效橫風(fēng)向荷載。經(jīng)過(guò)等效后，橫風(fēng)向荷載變?yōu)榈刃У撵o力荷載[10]，即：

(1)

mi——第i段塔體質(zhì)量；

Tj——第j階固有頻率；

YTj——橫風(fēng)向振幅；

φi——i截面振形系數(shù)。

對(duì)于等直徑塔器，其振形函數(shù)可表達(dá)為：

(2)

式中H——塔器總高；

Zi——i截面高度。

由式(1)、(2)可推導(dǎo)出i截面處等效橫風(fēng)向荷載：

(3)

利用ANSYS軟件對(duì)該精餾塔進(jìn)行了全尺寸建模，其中塔體采用殼單元SHELL181，平臺(tái)采用梁?jiǎn)卧狟EAM188，平臺(tái)與塔體通過(guò)MPC184單元綁定接觸，局部網(wǎng)格如圖3所示。模擬計(jì)算時(shí)，通過(guò)定義加載函數(shù)，將式(3)作為面壓力加在塔器表面?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，由于應(yīng)變片在塔器安裝后粘貼，應(yīng)變片測(cè)得的僅為塔器在風(fēng)荷載作用下的軸向應(yīng)變，而不包含塔器自身重力引起的軸向應(yīng)變，故模擬計(jì)算時(shí)不考慮塔器的自身重量，得到了塔器的位移和測(cè)點(diǎn)應(yīng)變，如圖4所示。

圖3 局部網(wǎng)格示意圖

數(shù)值模擬計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表1。由表可知，模態(tài)誤差在5%以內(nèi)，應(yīng)變誤差在10%以內(nèi)。將標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的振幅轉(zhuǎn)化為等效慣性力，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算此慣性力下的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)變接近，表明采用塔器實(shí)測(cè)參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的方法是可行的。

3 疲勞分析與校核

根據(jù)NB/T 47041-2014中公式(43)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的一階固有頻率、阻尼比代入方程式可計(jì)算塔體共振時(shí)各計(jì)算截面橫風(fēng)向彎矩，進(jìn)而可計(jì)算出由橫風(fēng)向引起的軸向應(yīng)力。

圖4 頂部位移和測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值A(chǔ)NSYS計(jì)算值一階固有頻率/Hz0.2560.267二階固有頻率/Hz1.3981.466測(cè)點(diǎn)應(yīng)變/με2.1002.303

塔器處于檢修時(shí)沒(méi)有內(nèi)壓引起的應(yīng)力，考慮塔器自身重力載荷后，經(jīng)計(jì)算最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙座與筒體的焊縫處(I-I截面)，該截面處的應(yīng)力如下：

由JB 4732-1995(2005確認(rèn))標(biāo)準(zhǔn)中圖C-1，得到該精餾塔允許循環(huán)振動(dòng)次數(shù)大于106。

由一階固有頻率，可算出允許塔體連續(xù)振動(dòng)時(shí)間大于45天，相對(duì)于停車檢修30天的時(shí)間，可認(rèn)為允許共振時(shí)間足夠長(zhǎng)，即該精餾塔在檢修狀態(tài)下可以抵抗橫風(fēng)向共振引發(fā)的疲勞破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)一座75m高精餾塔進(jìn)行了檢修條件下的風(fēng)致振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所取阻尼比0.01大于檢修條件下的阻尼比0.004 2，一階固有頻率比檢修條件小13.6%。采用實(shí)測(cè)值按照NB/T 47041-2014標(biāo)準(zhǔn)和JB 4732-1995(2005確認(rèn))標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與疲勞校核，結(jié)果表明該精餾塔在檢修狀態(tài)下可以抵抗橫風(fēng)向共振引發(fā)的疲勞破壞。由于檢修(空塔)條件與設(shè)計(jì)條件下的塔器固有頻率和阻尼比不同，筆者采用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的塔器風(fēng)致振動(dòng)計(jì)算分析方法，可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估檢修(空塔)時(shí)橫風(fēng)向振動(dòng)可能引起的疲勞破壞，可為塔器風(fēng)致振動(dòng)計(jì)算和疲勞分析提供參考。

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