調(diào)質(zhì)阻尼器在石化高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制中的首次應(yīng)用

賀安新， 徐振領(lǐng)， 張 斌， 王海明

(1.中海油惠州石化有限公司， 廣東 惠州 516086；2.隔而固(青島)振動(dòng)控制有限公司， 山東 青島 266108)

隨著我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)大力推進(jìn)園區(qū)化和集約化，石油化工生產(chǎn)過(guò)程中高聳鋼制塔器數(shù)量逐漸增多。同時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的石化設(shè)備的大型化，也使得高聳鋼制塔器總高度和直徑日益增長(zhǎng)。

文中對(duì)中海油惠州石化有限公司4.8 Mt /a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔調(diào)質(zhì)阻尼器的設(shè)計(jì)及首次工程案例投用前后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹，可為國(guó)內(nèi)石化行業(yè)鋼制高聳結(jié)構(gòu)控制風(fēng)振提供參考。

1 調(diào)質(zhì)阻尼器控振技術(shù)

1.1 工作原理

調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD，簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)質(zhì)阻尼器)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)被動(dòng)減振控制體系的一種，目的是減少主結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外力作用下的消能要求值。通過(guò)將主結(jié)構(gòu)的一些能量傳遞給固定或連接在主要結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。

調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)主要由質(zhì)量塊、調(diào)頻彈簧和阻尼元件組成，它將阻尼器系統(tǒng)自身的振動(dòng)頻率調(diào)整到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要頻率附近，當(dāng)外力(風(fēng)、地震)使得結(jié)構(gòu)物的主振頻率被激發(fā)時(shí)，阻尼器會(huì)產(chǎn)生與主結(jié)構(gòu)反向共振的行為，此時(shí)作用在主結(jié)構(gòu)上的能量會(huì)被調(diào)質(zhì)阻尼器部分耗散掉，使輸入到主結(jié)構(gòu)中的能量減少，從而起到減小主結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的作用。

調(diào)質(zhì)阻尼器根據(jù)剛度調(diào)頻方式的不同，可分為彈簧支承式和單擺懸掛式兩類(lèi)，彈簧支承式調(diào)質(zhì)阻尼器主要靠彈簧提供恢復(fù)力，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的數(shù)量來(lái)調(diào)整阻尼器自身的頻率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。本文主要介紹彈簧支撐式調(diào)質(zhì)阻尼器實(shí)際應(yīng)用。

圖1 彈簧支撐式調(diào)質(zhì)阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域[1-8]

調(diào)質(zhì)阻尼器作為有效的減振措施在國(guó)內(nèi)外橋梁、高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、輸電線(xiàn)、核電站、熱電廠及軌道交通等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期登機(jī)橋、倫敦千僖橋、崇啟長(zhǎng)江大橋、德國(guó)總理府步行橋、廣州電視塔、奧林匹克公園瞭望塔、卡塔爾多哈亞運(yùn)會(huì)主火炬塔、杭州灣大橋觀光塔、西安小雁塔、深圳寶安機(jī)場(chǎng)T3航站樓、上海世博會(huì)文化中心開(kāi)幕式場(chǎng)館、西安三角航空400MN模鍛液壓機(jī)、山西某風(fēng)電場(chǎng)44#風(fēng)電機(jī)組、Ⅲ Barge型漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)、北京西直門(mén)車(chē)站及指揮中心、韓國(guó)漢城-釜山高速鐵路天安站等建筑和高聳結(jié)構(gòu)中，均設(shè)計(jì)并安裝有調(diào)質(zhì)阻尼器。

2 煙氣脫硫洗滌塔風(fēng)振控制

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

催化裂化裝置是煉化企業(yè)的基礎(chǔ)煉油裝置。隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，多數(shù)催化裂化裝置新上了煙氣濕法脫硫工藝系統(tǒng)，而煙氣脫硫洗滌塔就是濕法脫硫的核心設(shè)備之一。煙氣脫硫洗滌塔通常高80～120 m，具有總高度值大、高徑比大、塔內(nèi)壓力較低、內(nèi)部阻尼比小、抗風(fēng)振能力差、鋼煙囪段無(wú)內(nèi)件及外部無(wú)平臺(tái)等特點(diǎn)，是典型的煉油廠高聳結(jié)構(gòu)[9-10]。

2.2 防振設(shè)計(jì)

煙氣脫硫洗滌塔抗風(fēng)振設(shè)計(jì)計(jì)算通常依據(jù)塔設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47041—2014《塔式容器》7.6節(jié)風(fēng)載荷進(jìn)行。按照此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)載荷，初期的固定投資大幅升高。目前比較好的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)為增加螺旋擾流板，其優(yōu)點(diǎn)是投資較少，安裝較為簡(jiǎn)單，但在減小橫風(fēng)振動(dòng)的同時(shí)由于改變了結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)而造成順風(fēng)向風(fēng)彎矩增大。

3 應(yīng)用調(diào)質(zhì)阻尼器改進(jìn)煙氣脫硫洗滌塔風(fēng)振控制

3.1 項(xiàng)目概況

中海油惠州石化有限公司位于廣東省惠州市大亞灣石化區(qū)，其新建4.8 Mt /a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔總高119.75 m，截面形狀為圓形，最大外徑為9 m，最小外徑為4.6 m。煙囪采用Q345R+316L復(fù)合板現(xiàn)場(chǎng)焊接而成，脫硫洗滌塔壁厚隨高度逐漸變薄，底部厚度為(36+3)mm，頂部厚度為(20+4)mm，運(yùn)行工況下總質(zhì)量約1 113.8 t，空塔工況下總質(zhì)量約為1 008.8 t。由于高度大、剛度柔，脫硫洗滌塔受風(fēng)的影響較大，為了減少脫硫洗滌塔在風(fēng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，在脫硫洗滌塔標(biāo)高113 m處設(shè)計(jì)了調(diào)質(zhì)阻尼器。

3.2 設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.2.1 防振工況考慮

(1)開(kāi)停工 運(yùn)行工況下，脫硫洗滌塔中會(huì)在標(biāo)高35 m濾清模塊中裝有105 t循環(huán)漿液，此時(shí)測(cè)得洗滌塔主頻率為0.736 6 Hz?？账r下，脫硫洗滌塔中的漿液需要排空，此時(shí)測(cè)得洗滌塔的主頻率為0.739 3 Hz。通過(guò)兩者的主頻率對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)105 t漿液的質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的頻率略有影響，但影響很小。在設(shè)計(jì)石化行業(yè)高聳設(shè)備調(diào)質(zhì)阻尼器時(shí)也應(yīng)該充分考慮到設(shè)備的投用和停用時(shí)的變化。

(2)地震 通過(guò)建立有限元模型，采用5條不同的地震波(人工波、Bonds波、Sanfer波、Sanfer-t波、Takochi-oki波)進(jìn)行模擬，將每條地震波的最大加速度調(diào)整為0.55 m/s2。由于每條地震波時(shí)長(zhǎng)不同，脫硫洗滌塔的反應(yīng)曲線(xiàn)長(zhǎng)度也不同，在40～70 s[11]。Takochi-oki地震波作用下脫硫洗滌塔的響應(yīng)最大位移為0.098 m。

(3)風(fēng)載荷 基于開(kāi)停工況的分析結(jié)果和脫硫洗滌塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將脫硫洗滌塔分成13段，根據(jù)每段的長(zhǎng)度、質(zhì)量、橫截面等參數(shù)建立了用于風(fēng)載荷計(jì)算的簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化模型用來(lái)計(jì)算用于風(fēng)載荷動(dòng)力分析的模態(tài)參數(shù)。通過(guò)建立的簡(jiǎn)化模型和公式計(jì)算得到橫向共振臨界風(fēng)荷載下的最大位移為0.35 m。

3.2.2 調(diào)質(zhì)阻尼器設(shè)計(jì)計(jì)算

調(diào)質(zhì)阻尼器外形圖見(jiàn)圖2。有限元模型計(jì)算中

圖2 調(diào)質(zhì)阻尼器外形圖

采用諧波激勵(lì)模擬橫向風(fēng)荷載(漩渦脫落)。選取有效質(zhì)量為3 500 kg的調(diào)質(zhì)阻尼器安裝在洗滌塔標(biāo)高113 m的位置，調(diào)質(zhì)阻尼器的頻率為0.71 Hz，阻尼比為12%。

通過(guò)模擬有無(wú)調(diào)質(zhì)阻尼器情況下諧波激勵(lì)觸發(fā)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，振幅由350 mm減小為19 mm。對(duì)所有載荷工況下調(diào)質(zhì)阻尼器的行程進(jìn)行分析得出Takochi-oki載荷工況下調(diào)質(zhì)阻尼器的最大行程為96 mm。釋放調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)后，脫硫洗滌塔在橫向風(fēng)載荷作用下的振幅由350 mm減到19 mm，調(diào)質(zhì)阻尼器的行程是72 mm。在一些地震作用工況中調(diào)質(zhì)阻尼器的行程會(huì)更大，甚至達(dá)到96 mm，將該行程作為調(diào)質(zhì)阻尼器的最大設(shè)計(jì)行程。而對(duì)橫向風(fēng)載荷作用，按72 mm來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)質(zhì)阻尼器的工作行程[12]。

3.3 應(yīng)用效果

對(duì)調(diào)質(zhì)阻尼器的應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試。首先將調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死，使其處于非工作狀態(tài)，在脫硫洗滌塔上沿順風(fēng)向及橫風(fēng)向(順風(fēng)向正交方向)布置2個(gè)水平向測(cè)點(diǎn)，測(cè)試脫硫洗滌塔的一階固有頻率[13]。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，每次的測(cè)試時(shí)間取500 s，測(cè)得脫硫洗滌塔的一階固有頻率為0.72 Hz和0.73 Hz[14]。脫硫洗滌塔的實(shí)際固有頻率與理論計(jì)算的頻率(0.75 Hz)基本一致。

在調(diào)質(zhì)阻尼器上已經(jīng)安裝了12個(gè)調(diào)頻彈簧，此時(shí)的調(diào)質(zhì)阻尼器頻率為0.85 Hz，安裝了3個(gè)調(diào)頻彈簧的調(diào)質(zhì)阻尼器頻率為0.70 Hz，對(duì)稱(chēng)減少?gòu)椈蓚€(gè)數(shù)將調(diào)質(zhì)阻尼器的頻率調(diào)整至脫硫洗滌塔的一階固有頻率。釋放調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)，在脫硫洗滌塔及調(diào)質(zhì)阻尼器質(zhì)量塊上沿順風(fēng)向及其正交方向(橫風(fēng)向)分別布置水平向測(cè)點(diǎn)，使調(diào)質(zhì)阻尼器處于工作狀態(tài)，在類(lèi)似的風(fēng)力條件下記錄脫硫洗滌塔的水平振動(dòng)數(shù)據(jù)[15]。

采集脫硫洗滌塔振動(dòng)加速度響應(yīng)，對(duì)比分析調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放時(shí)，脫硫洗滌塔振動(dòng)加速度響應(yīng)及阻尼特性。調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下與釋放條件下脫硫洗滌塔順風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程分別見(jiàn)圖3和圖4，調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下與釋放條件下脫硫洗滌塔順風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜見(jiàn)圖5。

分析圖3～圖5可以得出，調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放時(shí)，脫硫洗滌塔順風(fēng)向測(cè)點(diǎn)在500 s內(nèi)的振動(dòng)加速度峰值分別為0.007 283 m/s2和0.002 618 m/s2。按照振動(dòng)加速度峰值計(jì)算的調(diào)質(zhì)阻尼器減振效率為64.1%。調(diào)質(zhì)阻尼器釋放后，脫硫洗滌塔結(jié)構(gòu)阻尼比提高至3.66%。調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔橫風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程見(jiàn)圖6和圖7，

圖3 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下脫硫洗滌塔順風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程

圖4 調(diào)質(zhì)阻尼器釋放條件下脫硫洗滌塔順風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程

圖6 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下脫硫洗滌塔橫風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程

圖7 調(diào)質(zhì)阻尼器釋放條件下脫硫洗滌塔橫風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程

調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔橫風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜見(jiàn)圖8。

分析圖6～圖8可以得出，調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放時(shí)，橫風(fēng)向脫硫洗滌塔在500 s內(nèi)振動(dòng)加速度峰值分別為0.009 812 m/s2和0.002 360 m/s2。按振動(dòng)加速度峰值計(jì)算的調(diào)質(zhì)阻尼器減振效率為76.5%。調(diào)質(zhì)阻尼器釋放后，脫硫洗滌塔結(jié)構(gòu)阻尼比提高至3.51%。

圖8 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔橫風(fēng)向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜

4 結(jié)語(yǔ)

中海油惠州石化有限公司4.8 Mt /a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔采用調(diào)質(zhì)阻尼器作為高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制措施，將脫硫洗滌塔振動(dòng)傳遞至調(diào)質(zhì)阻尼器，在調(diào)質(zhì)阻尼器的阻尼作用下，振動(dòng)快速衰減。應(yīng)用表明，調(diào)質(zhì)阻尼器對(duì)脫硫洗滌塔投用或者停用2種狀態(tài)均具有較好的抗風(fēng)振效果，尤其是在對(duì)容易引起渦街振動(dòng)的橫風(fēng)向振動(dòng)，調(diào)質(zhì)阻尼器減振效率能夠達(dá)到76.5%，阻尼效果甚佳。安裝在塔頂?shù)恼{(diào)質(zhì)阻尼器具有在主體設(shè)備一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)免維護(hù)的特點(diǎn)，且能夠保障主體設(shè)備在運(yùn)行工況和空塔工況期間均具有良好的抗風(fēng)振能力。此案例為調(diào)質(zhì)阻尼器在國(guó)內(nèi)石化行業(yè)鋼制高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制中的首次應(yīng)用，可為類(lèi)似工程應(yīng)用提供有效的參考經(jīng)驗(yàn)。