臺風下乙烯精餾塔抗風性能及可靠性分析

楊帥

(中國石化青島安全工程研究院，化學品安全控制國家重點實驗室 山東青島 266071)

0 引言

我國是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一，平均每年有7個臺風在我國登陸，2018年第22號超強臺風“山竹”于9月16日在廣東臺山市海宴鎮(zhèn)登陸，登陸中心風力14級(約45 m/s)，風力強、影響范圍大，對廣東、廣西各地的石化企業(yè)造成了嚴重威脅。塔設備是石油化工、精細化工等領域的重要設備之一，其投資費用占整個工藝設備費用的25%～35%[1]。塔設備由于其較大的高徑比，容易受到臺風載荷的影響，造成結(jié)構失效，進而引發(fā)泄漏、火災、爆炸等事故。

對塔設備而言，風載荷引起的結(jié)構應力占總結(jié)構應力的80%～90%[2]。風載荷對塔設備的作用可分為順風向、橫風向和扭轉(zhuǎn)向來研究[3]。順風向振動為順風向承受風力作用時產(chǎn)生與風向相同的振動，橫風向振動為橫風向承受風力作用時產(chǎn)生的橫向振動。由于扭轉(zhuǎn)距對塔設備影響較小，一般可忽略。在上述3種作用中，由塔設備背風向的卡曼渦街引發(fā)的橫風向振動對塔設備的影響最大[4-5]。由風載荷引起的塔設備風誘導振動可能迫使塔器發(fā)生彎曲和傾斜乃至裙座斷裂，迫使塔器的產(chǎn)能下降甚至停止運行，引發(fā)泄漏、火災、爆炸等二次事故[6]。風誘導振動造成塔設備共振與塔設備的固有頻率有關，不同塔設備發(fā)生風誘導振動所需的風載荷并不相同[7-9]，如何定量評估風載荷對塔設備造成的損害是十分重要的。

本文以東南沿海某石化項目的乙烯精餾塔為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS建立流固耦合數(shù)值模型對乙烯精餾塔的風載荷分布及風振響應情況進行分析，研究乙烯精餾塔附近的風壓、風速等風場特性以及該風場下乙烯精餾塔的應力、應變分布規(guī)律，對乙烯精餾塔在臺風下的可靠性進行分析，為自然災害下的事故應急處置提供技術支撐。

1 模態(tài)分析

1.1 乙烯精餾塔參數(shù)

以東南沿海的某石化項目中的乙烯精餾塔作為分析對象，該塔高度約83 m，外徑為3.26 m，其基本設計參數(shù)見表1。

表1 乙烯精餾塔基本設計參數(shù)

1.2 模態(tài)分析

由于乙烯精餾塔的風振分析只考慮塔器的整體振動，不考慮塔器的局部模態(tài)，因此只對塔器的整體模態(tài)進行分析。乙烯精餾塔的模型采用容易發(fā)生強烈振動的空塔模型，內(nèi)部塔盤和接管的質(zhì)量采用等效密度法等效至殼體上。采用ANSYS軟件對乙烯精餾塔進行模態(tài)分析，計算乙烯精餾塔的固有頻率。乙烯精餾塔選用六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為194 631，網(wǎng)格數(shù)為73 705，如圖1所示。乙烯精餾塔的前六階固有頻率如表2所示，其對應振型圖如圖2所示。

圖1 塔器網(wǎng)格劃分

表2 乙烯精餾塔固有頻率 Hz

圖2 乙烯精餾塔前六階振型

1.3 共振風速

我國《塔式容器》(NB/T 47041—2014)[10]標準中給出了一種共振判據(jù)，當塔設備的高度H>30 m且高度與平均直徑之比H/D>15時，可以比較i階臨界風速vci和臨界風速v大小后進行判斷。塔設備共振臨界風速按式(1)計算為

式中，vci為第i階振型共振時的臨界風速，m/s；Da為塔外徑，mm；Ti為塔器第i階振型的自振周期，s；St為斯特羅哈數(shù)，按《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)對圓截面的塔式容器取0.2。

若v

根據(jù)1.2節(jié)模態(tài)分析計算的乙烯精餾塔共振頻率，可以得到前六階的共振臨界風速如表3所示。該石化企業(yè)所在區(qū)域長期受到臺風威脅，但136 m/s左右的臺風在當?shù)貙崒俸币?，因此在考慮共振臨界風速時只需要考慮前四階共振臨界風速即可。

表3 乙烯精餾塔共振臨界風速 m/s

2 風振響應分析

2.1 流場模型設置

風場計算區(qū)域在對計算結(jié)果沒有影響的前提下應盡可能的縮小，但必須保證其不受堵塞效果的影響，因此塔結(jié)構投影面積與計算區(qū)域面積的比例應控制在5%以下[11]。根據(jù)上述原則，建立了52.16 m×45.64 m×100 m的臺風計算域，對計算域進行區(qū)塊劃分，并采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格繪制，如圖3所示，網(wǎng)格間距為800 mm，共繪制流體網(wǎng)格700 558個。

圖3 風場網(wǎng)格劃分

風場采用計算流體力學軟件Fluent 16.0進行分析，臺風風場湍流模型采取標準k-ε湍流模型，風場進口為速度進口，其余出口都為壓力出口，風場底面設置為wall。風場計算采用穩(wěn)態(tài)作為時間方案。風場速度進口采用指數(shù)風剖面，其風速如式(2)所示，采用UDF耦合入Fluent軟件中進行設置。

vi=v0(zi/z0)0.16(2)

式中，v0為10 m高度下的風速，m/s；z0為10 m；vi為zi高度下的風速，m/s；zi為高度為im的高度值，m。

2.2 風載荷分布

以臺風“山竹”期間該石化企業(yè)附近風速23 m/s為例，乙烯精餾塔表面的風速分布、風壓分布、風速矢量分布分別如圖4～圖7所示。乙烯精餾塔附近風速逐漸降低，在乙烯精餾塔的背風向投影區(qū)存在一條延伸至出流邊界的低風速帶，并且低風速帶內(nèi)的平均風速隨高度逐漸降低。在低風速帶區(qū)域內(nèi)，乙烯精餾塔背風向附近存在少許漩渦，沒有形成卡曼渦街。原因在于乙烯精餾塔背風向附近風速降低至10 m/s左右，雷諾數(shù)約為2.23e+6，根據(jù)《塔式容器》的判定標準，該雷諾數(shù)處于過渡區(qū)，該區(qū)域內(nèi)卡曼渦街消失。對于風壓分布，塔設備迎風面和對應兩側(cè)塔頂部承受的風壓較大，迎風面表現(xiàn)為壓力，兩側(cè)表現(xiàn)為吸力，因此臺風對塔設備造成的塔頂撓度不僅表現(xiàn)在進風的X方向，也體現(xiàn)在兩側(cè)的Y方向，需要對其變形量進行綜合考慮。

圖5 風場風速矢量分布

圖6 風場風壓分布

圖7 乙烯精餾塔風壓分布

2.3 結(jié)構分析

根據(jù)乙烯精餾塔表面的風壓分布結(jié)果，對乙烯精餾塔在臺風“山竹”下的的應力、變形情況進行分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。乙烯精餾塔的最大應力出現(xiàn)在塔體及裙座的迎風面交匯處，應力隨著高度的增加逐漸減小，塔頂處應力降至最低，降至0。乙烯精餾塔的最大變形出現(xiàn)在塔頂，并隨著塔高逐漸減小，變形方向與風向相同。

圖8 乙烯精餾塔應力分布云圖

圖9 乙烯精餾塔變形分布云圖

隨著風速提高，乙烯精餾塔的最大應力和最大變形不斷增大，但應力和變形的變化頻率基本保持不變，如圖10所示。在不同風速下乙烯精餾塔的順風向變形均呈現(xiàn)類似一階振型的變化，即使增大風速，乙烯精餾塔在順風向也不會發(fā)生高階振型的振動變化。在風速10～50 m/s的變化范圍內(nèi)，塔體最大應力從6 MPa增加至700 MPa左右，裙座最大應力從4 MPa增加至490 MPa左右，塔頂變形從26 mm增加至3 000 mm左右。塔體最大應力、裙座最大應力和塔頂變形隨風速呈多次多項式的變化關系。

圖10 乙烯精餾塔最大應力與最大變形隨時間的變化曲線

根據(jù)風速10～50 m/s情況下乙烯精餾塔的塔體、裙座最大應力和塔頂最大變形的模擬結(jié)果，通過多項式擬合得到上述物理量隨風速的變化關系，如式(3)、式(4)和式(5)所示，R2分別為0.998 8，0.999 6和0.998 7。擬合曲線如圖11、圖12和圖13所示。

塔體最大應力隨風速的變化關系為

Str=-2.699 06-1.812 62u+0.367 12u2-0.001 18u3

(3)

裙座最大應力隨風速的變化關系為

Strq=-0.929 32-2.114 48u+0.303 03u2-0.001 35u3

(4)

最大變形隨風速的變化關系為

Def=-11.729 59-9.897 98u+1.844 06u2-0.008 25u3

(5)

由于塔體和裙座的建造材料不同，分別為SA203Gr.E和A-285Gr.C，屈服強度分別為300 MPa和245 MPa。乙烯精餾塔的最大應力點出現(xiàn)在塔體和裙座的連接點處，靠近塔體一側(cè)，而裙座上部應力也相對較高，因此需要同時對出現(xiàn)在塔體底部的最大應力及裙座上部的最大應力進行校核。當塔體達到屈服極限300 MPa時，對照圖11可以獲得極限風速為33 m/s，而對照圖12該風速下裙座的最大應力為210.8 MPa，未超過裙座材料A-285Gr.C的屈服極限，因此對于該乙烯精餾塔，達到屈服極限的瞬時風速為33 m/s。

為了保證塔設備內(nèi)的化工工藝過程正常進行，必須把塔設備軸線的不垂直度控制在一定范圍之內(nèi)。國內(nèi)對塔頂撓度的控制值通常規(guī)定為H/200。根據(jù)上述推算的達到屈服極限的瞬時風速33 m/s，對照圖13可以獲得該風速下乙烯精餾塔的最大變形為1 374 mm，已經(jīng)不能保證乙烯精餾塔內(nèi)的工藝過程正常進行。因此風速低于33 m/s，乙烯精餾塔的最大應力在屈服極限內(nèi)，但塔頂撓度已經(jīng)影響塔內(nèi)工藝的正常運行，乙烯精餾塔正常運行的風速應低于18.5 m/s。

根據(jù)《鋼制壓力容器—分析設計標準》 (JB 4732—1995)[12]的C-1疲勞曲線，許用循環(huán)次數(shù)N>106。在該風速下，乙烯精餾塔不會發(fā)生疲勞破壞。

圖11 乙烯精餾塔塔體最大應力隨風速的變化曲線

圖12 乙烯精餾塔裙座最大應力隨風速的變化曲線

圖13 乙烯精餾塔最大變形隨風速的變化曲線

3 結(jié)論

(1)乙烯精餾塔的最大應力出現(xiàn)在迎風子午線與塔體及裙座的交匯點，也就是乙烯精餾塔塔體與裙座連接處的迎風點與背風點。在迎風子午線的裙座內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)了應力集中點，略低于塔體底部應力。塔體應力隨著高度的增加逐漸減小，塔頂處應力降至最低，降至0。乙烯精餾塔的最大變形出現(xiàn)在塔頂，并隨著塔高逐漸減小，變形方向與風向相同。

(2)隨著風速提高，乙烯精餾塔的最大應力和最大變形不斷增大，但應力和變形的變化頻率基本保持不變，乙烯精餾塔的順風向變形均呈現(xiàn)類似一階振型的變化，即使增大風速，乙烯精餾塔在順風向也不會發(fā)生高階振型的振動變化。塔體最大應力、裙座最大應力和塔頂變形隨風速呈多次多項式的變化關系。

(3)通過對乙烯精餾塔的可靠性評估，根據(jù)當?shù)貧庀鄺l件，認為乙烯精餾塔的共振只考慮前四階共振即可。根據(jù)乙烯精餾塔材料的屈服極限，認為乙烯精餾塔在低于33 m/s(12級風)的風速下較為安全，但超過18.5 m/s(8級風)后乙烯精餾塔的撓度超過塔設備正常運行的許用撓度，對乙烯精餾塔的正常運行造成影響。同時，應根據(jù)臺風的即時風速對乙烯精餾塔進行疲勞分析，判斷疲勞壽命。