細(xì)高塔的共振分析與防振措施

杜 栓

(寧波弘訊工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315040)

風(fēng)載荷、地震載荷以及風(fēng)誘發(fā)振動(dòng)是塔器設(shè)計(jì)必須考慮的重要載荷和工況，NB/T 47041《塔式容器》要求，當(dāng)H/D>15，且H>30m 時(shí)，除考慮順風(fēng)向風(fēng)載荷外，還應(yīng)考慮橫風(fēng)向風(fēng)振，并進(jìn)行共振判別[1]。但按設(shè)計(jì)參數(shù)正確輸入且計(jì)算合格的塔，在塔安裝或操作運(yùn)行過程中，塔體共振仍時(shí)有發(fā)生，影響塔的運(yùn)行安全。

塔體越高或高徑比越大，風(fēng)載荷的影響就越大，在一定條件下極易發(fā)生共振。如1995 年，在刮 5～6 級(jí)風(fēng)時(shí)，某維尼綸廠高60 m的鋼煙囪，沿與風(fēng)垂直的方向劇烈振動(dòng)；2002 年，某烷基苯裝置高 80 m的鋼煙囪，吊裝完畢后的空煙囪在風(fēng)力約6 級(jí)時(shí)發(fā)生劇烈振動(dòng)，振動(dòng)方向與風(fēng)向垂直，煙囪頂部的振幅最大時(shí)達(dá)450mm；2008 年，某脫甲烷塔尚未投產(chǎn)就發(fā)生了誘導(dǎo)振動(dòng)，并導(dǎo)致設(shè)備多處嚴(yán)重開裂；2009 年，某乙烯塔，在刮 5～6 級(jí)風(fēng)時(shí)，發(fā)生大幅度擺動(dòng)，并伴隨很大的聲音[2]。

因此，對(duì)細(xì)高塔進(jìn)行共振分析和采取防振措施是非常有必要的。

1 細(xì)高塔的共振實(shí)例

2016年9月，某環(huán)氧乙烷塔在操作運(yùn)行過程中發(fā)生大幅度擺動(dòng)，共振時(shí)塔的擺動(dòng)實(shí)況見圖1，共振時(shí)的風(fēng)速為4.5m/s，共振振幅約30mm，在有風(fēng)季節(jié)均有不同振幅的擺動(dòng)。2017年3月，經(jīng)檢測裙座筒體與下封頭焊接的環(huán)焊縫融合處發(fā)現(xiàn)，西北方向裂紋長度約2.5m，其中貫穿性裂紋長度約2m；東南方向裂紋長度約2.8 m，裂紋深度 5～17mm。塔體頂部沒有擾流裝置。

乙烷塔發(fā)生共振后，對(duì)該塔進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，并對(duì)發(fā)生共振的原因及危害進(jìn)行了分析，提出了修復(fù)方案。

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)壓力為0.5/-0.1MPa(g)，設(shè)計(jì)溫度為175℃，塔內(nèi)為易爆、高危險(xiǎn)的環(huán)氧乙烷，內(nèi)有填料和多層塔盤，保溫層厚度為100 mm，塔體直徑D=3 400mm，裙座底端直徑D=5 400mm，裙座高度為9 700 mm，塔體總高度H≈81m，環(huán)氧乙烷外形見圖2。裙座筒體為 22 mm的 Q345R，筒體從下到上依次為 3mm+22mm、3mm+20mm、3mm+18mm、3mm+16mm 的S30403+Q345R，裙座殼與塔殼對(duì)接且焊縫高度為75 mm，基本風(fēng)壓值(10 m 高度處)為620N/m2，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場地土類別Ⅳ類，地面粗糙度類別 B 類。

(2)計(jì)算復(fù)核。計(jì)算過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，在操作狀態(tài)下產(chǎn)生的一階共振風(fēng)速≈ 4.5m/s，二階共振風(fēng)速≈29 m/s，設(shè)計(jì)風(fēng)速≈44 m/s，塔頂最大撓度≈280，各截面筒體計(jì)算合格。通過計(jì)算結(jié)果可見，應(yīng)考慮第一振型和第二振型的振動(dòng)，塔頂撓度符合SH/T 3098《石油化工塔器設(shè)計(jì)規(guī)范》中YD≤H/200=405 mm的要求。

(3)共振原因分析：①計(jì)算結(jié)果有漏項(xiàng)，計(jì)算書中有操作工況和耐壓試驗(yàn)工況的計(jì)算，缺少安裝工況的計(jì)算；②設(shè)計(jì)者沒有采取必有的防振措施，雖然SW6計(jì)算書上各截面筒體計(jì)算合格，塔頂撓度值也滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，基于設(shè)計(jì)風(fēng)速大于第二臨界風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，在條件具備時(shí)共振就會(huì)發(fā)生，設(shè)計(jì)者應(yīng)采取必要的防振措施。而該塔塔頂沒有設(shè)置擾流裝置，也沒有對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行加強(qiáng)處理，也未對(duì)局部危險(xiǎn)位置進(jìn)行疲勞分析，未提出“塔體應(yīng)與管線、梯子平臺(tái)同時(shí)安裝”的具體要求；③制造有缺陷，裙座筒體與下封頭的焊縫高度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且未與封頭圓滑過渡；④減振措施采取不及時(shí)，該塔除發(fā)生較大振幅的擺動(dòng)外，在有風(fēng)季節(jié)還會(huì)有不同振幅的擺動(dòng)，連續(xù)多天共振將造成對(duì)塔體焊縫和本體的疲勞影響，使塔體焊縫大范圍開裂。

(4)發(fā)生共振的危害：①塔盤傾斜，氣液傳質(zhì)不均勻，導(dǎo)致塔板效率下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量；②與塔體連接的接管，因塔的擺動(dòng)過大，連接處受到拉、壓、彎、扭的綜合作用，易出現(xiàn)泄漏；③塔頂撓度大，會(huì)產(chǎn)生較大的附加偏心彎矩，影響設(shè)備的使用壽命；④梯子平臺(tái)上檢維修人員不安全[3]。

(5)緊急修復(fù)方案：①在實(shí)施裂紋修復(fù)前，應(yīng)根據(jù)檢測結(jié)果，在裂紋尖端鉆圓孔止裂，避免裂紋擴(kuò)大；②開裂處筒節(jié)進(jìn)行加固處理，如焊軸向筋板；③按 GB 150.1～150.4《壓力容器》進(jìn)行裂紋修復(fù)；④裂紋修復(fù)完好后，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控外側(cè)裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)新生裂紋要及時(shí)修復(fù)；⑤同時(shí)監(jiān)測裙座螺栓座、裙座最大開孔處的殼體截面、裙座上部及筒體下端的縱環(huán)焊縫、塔下封頭切線所在截面等危險(xiǎn)截面是否發(fā)生損壞。

(6)長久運(yùn)行修復(fù)方案：①優(yōu)化下封頭與裙座筒體的連接焊縫結(jié)構(gòu)，保證焊縫高度、氬弧焊打底確保全焊透，打磨焊縫圓滑過渡，對(duì)該環(huán)焊縫進(jìn)行無損檢測，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)該環(huán)焊縫進(jìn)行加強(qiáng)處理；②塔頂增設(shè)擾流設(shè)施或設(shè)置塔架。

2 細(xì)高塔的共振分析與防振措施

通過上述事例可知，計(jì)算合格的塔器也會(huì)發(fā)生共振，連續(xù)共振多天會(huì)對(duì)塔體焊縫和本體產(chǎn)生疲勞損壞，進(jìn)而導(dǎo)致塔體焊縫開裂，影響塔的運(yùn)行安全，在塔的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行中必須引起重視。

特別是塔設(shè)計(jì)壓力較低時(shí)(包括內(nèi)壓或外壓)，風(fēng)載荷和地震載荷就成為了塔器安全的主要載荷，由于風(fēng)載荷和地震載荷計(jì)算都是動(dòng)力計(jì)算，塔體的承受能力不僅與自身的幾何尺寸有關(guān)，且與自身的動(dòng)力特征相關(guān)聯(lián)，使塔體產(chǎn)生加速度，引起慣性力，并產(chǎn)生隨時(shí)間變化的變形和動(dòng)應(yīng)力[4，5]。

對(duì)承受動(dòng)力載荷的線性結(jié)構(gòu)體系，其主要的物理特性包括體系質(zhì)量、彈性特征、能力耗散、阻尼、外部擾力或載荷。NB/T 47041《塔式容器》中的質(zhì)量、自振周期、地震載荷、風(fēng)載荷、彎矩、塔頂撓度等，在計(jì)算中涉及到一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)參數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)值參數(shù)等。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括10 m 高度處基本風(fēng)壓值、抗震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)基本地震加速度、設(shè)計(jì)地震分組、場地土類別、地面粗糙度等；設(shè)計(jì)參數(shù)包括壓力、溫度、直徑、高度、介質(zhì)密度、保溫層的密度和厚度、偏心載荷、集中質(zhì)量、操作平臺(tái)等；經(jīng)驗(yàn)值參數(shù)包括阻尼系數(shù)、脈動(dòng)增大系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、振型系數(shù)等[5，6]。

2.1 保證設(shè)計(jì)參數(shù)輸入的精確性

細(xì)高塔的共振計(jì)算中涉及到基本風(fēng)壓值、基本雪壓、抗震地震烈度、設(shè)計(jì)基本地震加速度、設(shè)計(jì)地震分組、地面粗糙度類別、場地土類別、空塔阻尼比、操作工況下塔阻尼比等數(shù)據(jù)，需要保證設(shè)計(jì)參數(shù)輸入的精確性，塔器計(jì)算才是精確可靠的。

2.2 重視安裝工況的塔器計(jì)算

安裝過程中塔內(nèi)壓力為常壓，塔內(nèi)溫度為常溫，承受100%風(fēng)載或 25%風(fēng)載+100%地震載荷，兩者所產(chǎn)生的彎矩取大值時(shí)塔體質(zhì)量最小?？刹鹚?nèi)件、保溫層、平臺(tái)梯子、填料等可能還未安裝，沒有操作介質(zhì)。

塔器的安裝工況如下：①因沒有操作介質(zhì)、可拆塔內(nèi)件和梯子平臺(tái)等，塔體質(zhì)量最?。虎谝驔]有安裝保溫層等，塔器的平均直徑D最小，則H/D最大；③沒有安裝梯子平臺(tái)、填料等，阻尼系數(shù)小；④沒有與其他設(shè)備或管廊相連，塔器的振動(dòng)不受限制；⑤承受 100%風(fēng)載或 25%風(fēng)載+100%地震載荷，兩者所產(chǎn)生的彎矩取大值。因此，塔在安裝過程中更易發(fā)生誘導(dǎo)振動(dòng)，應(yīng)重視安裝工況的塔器計(jì)算。

塔內(nèi)物料、塔周圍的建筑群都會(huì)影響該塔的阻尼比，阻尼比應(yīng)根據(jù)實(shí)測值確定。NB/T 47041《塔式容器》上只給出了一階振型阻尼比可取0.01～0.03，高階振型阻尼比可參照第一振型阻尼比選取，沒有指明安裝、操作、耐壓試驗(yàn)工況阻尼比如何取值。NB/T 47041《塔式容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義與算例中指出，國內(nèi)外都有些塔器的阻尼比的實(shí)測數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)比較分散，塔式容器的阻尼比小于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜所采用的0.05，推薦阻尼比為0.01。某大學(xué)測得空塔阻尼比與操作工況下塔阻尼比小很多。雷諾數(shù)與塔的阻尼比有關(guān)，不能通過計(jì)算雷諾數(shù)的方法在設(shè)計(jì)階段判定共振的發(fā)生振幅。阻尼比的取值對(duì)塔器共振判別影響很大，空塔阻尼比的取值更是給設(shè)計(jì)者造成了困擾。

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 塔頂設(shè)置擾流裝置

降低塔高，增加塔的直徑是工藝操作所不允許的；通過增加殼體厚度來提高塔器的抗振能力是非常有限的，也是不經(jīng)濟(jì)的；采用密度小、彈性模量大的材料不僅不經(jīng)濟(jì)，也不可能通過增加塔內(nèi)液體、填料、梯子平臺(tái)等來增加塔的阻尼。

裝有軸向翅片的塔設(shè)備，共振時(shí)的振幅將減少1/2 左右，螺旋形翅片比軸向翅片的效果更好[1]。

可見，對(duì)細(xì)高塔而言，最經(jīng)濟(jì)與最有效的防振措施乃是在塔頂設(shè)置擾流裝置。

2.3.2 優(yōu)化裙座筒體與下封頭連接的環(huán)焊縫

對(duì)于錐形裙座的細(xì)高塔而言，因裙座筒體與下封頭連接的環(huán)環(huán)焊縫存在如下情況：①截面積最小，所受的組合應(yīng)力較大；②共振引發(fā)裂紋的起點(diǎn)離該環(huán)焊縫較近；③環(huán)焊縫熔合區(qū)易存在檢測到的焊接缺陷。

應(yīng)優(yōu)化裙座筒體與下封頭連接的環(huán)焊縫：①保證焊縫高度、氬弧焊打底確保全焊透、焊縫表面打磨光滑，并與下封頭外表面圓滑過渡；②提高裙座筒體的對(duì)接接頭施焊要求與本體相同，并應(yīng)按 NB/T 47013 進(jìn)行100%UT 檢測Ⅰ級(jí)合格，100%MT檢測Ⅰ級(jí)合格；③有必要時(shí)，對(duì)該環(huán)焊縫進(jìn)行加強(qiáng)處理，如設(shè)置軸向加強(qiáng)筋板。

2.4 不推薦裸塔狀態(tài)豎立

塔安裝就位后，不推薦裸塔狀態(tài)豎立，應(yīng)將塔平臺(tái)、梯子及與塔相連接的主要管線與塔同期安裝就位。

2.5 監(jiān)測塔器的運(yùn)行

塔器運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，發(fā)生大振幅共振或小振幅擺動(dòng)頻繁時(shí)，應(yīng)盡早采取必要的防振措施，如增設(shè)擾流設(shè)施、拉纖、阻尼器等，避免共振對(duì)塔體焊縫和本體產(chǎn)生疲勞影響，而使事態(tài)進(jìn)一步惡化。

3 結(jié)語

對(duì)于細(xì)高塔而言，為防止共振，建議：①保證計(jì)算輸入?yún)?shù)的精確性；②塔器計(jì)算時(shí)應(yīng)全面考慮安裝、操作、壓力試驗(yàn)等各種工況；③優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，塔頂宜設(shè)置擾流設(shè)施，裙座筒體與下封頭連接的環(huán)焊縫應(yīng)確保全焊透并圓滑過渡；④塔安裝就位后，不推薦裸塔狀態(tài)豎立；⑤塔體發(fā)生大振幅共振或小振幅擺動(dòng)頻繁時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測并采取必要的防振措施。

從設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作等多方面，防止塔器由于共振對(duì)設(shè)備造成的損壞。

同時(shí)，建議加大對(duì)塔器阻尼比的實(shí)測和研究力度，并在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中給出塔器空塔、操作、耐壓試驗(yàn)工況下阻尼比推薦值。