高聳塔器橫風(fēng)向共振失效的防范對策

夏少青

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著石油化工裝置規(guī)模的大型化，高徑比大的高聳塔器數(shù)量逐漸增多，塔器發(fā)生橫風(fēng)向共振的可能性大大增加。發(fā)生橫風(fēng)向共振時(shí)，塔器受到的橫風(fēng)向載荷遠(yuǎn)大于順風(fēng)向載荷。過大的橫風(fēng)向載荷將使塔器頂部振幅過大，影響塔器正常工藝操作，同時(shí)還會使塔器危險(xiǎn)截面的應(yīng)力數(shù)值過大，導(dǎo)致其可能由于強(qiáng)度不足而破壞。橫風(fēng)向共振導(dǎo)致高聳塔器失效的問題嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行及設(shè)備的安全性，因此必須高度重視。本文基于工程實(shí)踐，本著安全可靠的原則以及經(jīng)濟(jì)性的考慮，對高聳塔器的設(shè)計(jì)、制造、安裝等方面有針對性地提出了重點(diǎn)防范措施，防止高聳塔器因橫風(fēng)向共振失效，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

1 高聳塔器在安裝階段(尤其是裸塔)或檢修階段，應(yīng)重點(diǎn)防范橫風(fēng)向共振

根據(jù)工程實(shí)際情況，部分高徑比較大的自支承塔器發(fā)生橫風(fēng)向共振的情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 部分高徑比較大的自支承塔器發(fā)生橫風(fēng)向共振的情況統(tǒng)計(jì)

由表1可知，以往高聳塔器出現(xiàn)橫風(fēng)向共振和由共振引起的失效，很多都發(fā)生在安裝階段(尤其是裸塔)或檢修階段，如內(nèi)蒙古某化工裝置、上海某石化裝置和新疆某煉化裝置等。

高聳塔器在安裝階段容易發(fā)生橫風(fēng)向共振，主要原因有以下兩個(gè)方面：

一是由于現(xiàn)場施工的原因，梯子、平臺、附塔管線等塔設(shè)備的外部附件沒有安裝，而這些外部附件有擾亂卡門渦街的作用，可以阻礙卡門渦街的形成。通過合理布置這些附件，可起到較好的防振、減振效果。

二是塔器在安裝階段沒有安裝塔盤或填料。塔盤上的液體或填料是有效的阻尼物，其內(nèi)部液體的液面晃動(dòng)具有阻尼作用。

針對高聳塔器在安裝階段容易發(fā)生橫風(fēng)向共振的問題，應(yīng)采取相應(yīng)措施，盡量避免其發(fā)生。

建議對安裝階段的高聳塔器(H/D>15且H>30 m，文中所有符號均按文獻(xiàn)【4】中的定義，下同)提出如下要求：

1)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對裸塔(即無保溫、無平臺梯子、無管道連接、無介質(zhì)的塔器)進(jìn)行橫風(fēng)向共振計(jì)算。如經(jīng)過振動(dòng)計(jì)算和分析，塔器會發(fā)生橫風(fēng)向共振，且振幅與所受的載荷超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值，則應(yīng)采取措施防止共振的發(fā)生或者減小共振的振幅。

2)塔器安裝時(shí)，平臺、梯子、絕熱材料及附塔管線應(yīng)與塔體同期吊裝就位，同時(shí)要盡快安裝填料和塔盤等內(nèi)件，利用這些附件達(dá)到較好的防振、減振效果，降低設(shè)備發(fā)生共振的可能性。

2 設(shè)計(jì)和制造階段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注塔器危險(xiǎn)截面

引起塔器失效的最危險(xiǎn)截面為塔體下封頭與裙座連接處焊接接頭及塔體變徑段與筒體焊接接頭處，上述截面承受較大的風(fēng)彎矩，其焊縫質(zhì)量是否可靠將直接關(guān)系到細(xì)高塔能否安全運(yùn)行。

表1中上海某石化裝置、福建某乙烯裝置以及文獻(xiàn)【3】中提到的塔器失效表明，焊縫中的原始缺陷在風(fēng)載荷作用下可引起疲勞裂紋擴(kuò)展，風(fēng)振或風(fēng)誘發(fā)振動(dòng)則可能導(dǎo)致疲勞破壞。嚴(yán)格控制焊縫的焊接質(zhì)量成為塔器抗風(fēng)振的有效手段。

對于H/D>15且H>30 m的高聳塔器，應(yīng)當(dāng)有針對性地提高危險(xiǎn)截面處材料和結(jié)構(gòu)的要求，加強(qiáng)焊接、無損檢測的要求，并將相關(guān)要求作為抗橫風(fēng)向共振失效的重點(diǎn)防范措施。建議采取如下相關(guān)措施：

1) 材料和設(shè)計(jì)

a) 與塔體下封頭相連接的裙座殼過渡段的材料應(yīng)與下封頭相同。

b) 裙座與塔體的焊接接頭型式宜采用文獻(xiàn)【4】中圖2 a)右側(cè)節(jié)點(diǎn)型式(如圖1所示)，同時(shí)適當(dāng)提高對接焊縫高度，焊接接頭的幾何尺寸應(yīng)在圖面上有明確的要求。

圖1 裙座與塔體的焊接接頭型式

c) 塔體上的變徑段宜采用帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)；當(dāng)采用無折邊結(jié)構(gòu)時(shí)，焊縫表面應(yīng)圓滑過渡。

2) 焊接和檢測

a) 裙座筒體及其與下封頭的連接焊縫，均應(yīng)按受壓元件的焊縫要求施焊；焊前的焊接工藝評定應(yīng)按NB/T 47014—2011進(jìn)行，且應(yīng)由考核合格的焊接壓力容器的焊工施焊。

b) 裙座與塔體下封頭相連接的焊接接頭應(yīng)采用氬弧焊打底，保證全焊透；焊縫表面應(yīng)打磨光滑，并與下封頭外表面圓滑過渡。

c) 裙座筒體與塔體下封頭的焊接接頭，應(yīng)按NB/T 47013—2015進(jìn)行100%磁粉(MT)或滲透(PT)檢測，Ⅰ級合格，外加 20%超聲檢測(UT)，Ⅱ級合格。

d) 塔體的變徑段與圓筒體的焊接接頭進(jìn)行100%射線檢測(RT)或100%UT，當(dāng)采用無折邊結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)增加100% MT或PT檢測，合格級別為RT或UT同設(shè)備要求，MT或PT為Ⅰ級。

通過采取上述措施，可保證危險(xiǎn)截面處的焊縫質(zhì)量，確保高聳塔器能夠安全運(yùn)行。

表1中上海某石化裝置和福建某乙烯裝置的7臺塔器的后期修復(fù)中采取了上述類似措施。武漢某石化裝置和燕山某石化裝置中的10余臺高長徑比塔器，除在前期與上游專業(yè)溝通適當(dāng)減小高徑比外，在設(shè)計(jì)和制造階段也采取了上述措施，避免了橫風(fēng)向振動(dòng)引起的失效。

3 關(guān)于擾流裝置的設(shè)置

梯子、平臺和外部擾流件都能起到擾亂卡門渦街的作用。在塔上部1/3塔高的范圍內(nèi)安裝軸向翅片或螺旋形翅片的擾流器，可緩解或防止塔的共振。

外部擾流器能起到很好的防振作用，裝有軸向翅片擾流器的塔設(shè)備，共振時(shí)振幅可減小1/2左右，而螺旋形翅片比軸向翅片的效果更好。但塔設(shè)備通常有外保溫層，且安裝有較多的附件，如梯子、平臺、管線等，設(shè)置擾流裝置受到空間的限制，實(shí)施難度較大。所以從表1可看出，大部分塔器沒有設(shè)置擾流裝置。

擾流器作為一種有效的預(yù)防橫風(fēng)向振動(dòng)的措施，設(shè)計(jì)中既要合理利用，又要避免過度使用給制造、施工帶來困難。建議宜在H/D>25且H>55 m時(shí)設(shè)置擾流器，且采用文獻(xiàn)【5】中圖SY4-18 b)所示的螺旋形翅片式擾流器。

H/D>25且H>55 m這一范圍是根據(jù)工程實(shí)踐及相關(guān)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果提出的，這樣可避免過度采用擾流器。

發(fā)生了橫風(fēng)向振動(dòng)的塔器，首先應(yīng)對塔器進(jìn)行振動(dòng)分析，如果塔器不發(fā)生共振，或雖發(fā)生共振，但塔的振幅與所受的載荷均未超過規(guī)定的界限，則無需采取進(jìn)一步的防振措施，如設(shè)置擾流器等。

表1中有6臺塔器發(fā)生了橫風(fēng)向振動(dòng)，通過核算，確定無失效風(fēng)險(xiǎn)，均未采取任何措施。此外，表1中還有10多臺塔器未曾有發(fā)生橫風(fēng)向振動(dòng)或破壞的記錄。

4 焊縫高度對疲勞壽命的影響

焊縫高度對裙座與下封頭間的對接焊縫疲勞壽命有一定影響。

文獻(xiàn)【6】考慮應(yīng)力集中系數(shù)對風(fēng)致疲勞壽命的影響，在危險(xiǎn)截面處(即裙座與下封頭對接焊縫處)設(shè)計(jì)了45與30 mm 兩種焊腳高度，并利用有限元法求得對應(yīng)的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)k分別為3.393與5.009。上述結(jié)果表明，應(yīng)力集中情況較輕微時(shí)，其疲勞壽命顯著增加。焊縫高度較小時(shí)，裙座與下封頭連接處出現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，應(yīng)力集中比較明顯，存在很大的峰值應(yīng)力，較大的峰值應(yīng)力可能導(dǎo)致疲勞裂紋，故應(yīng)適當(dāng)提高裙座與塔體的對接焊縫高度，增大其疲勞壽命。

可采取如下措施：

1) 對于大高徑比塔器(H/D>15且H>30 m)，裙座與塔體的焊接接頭型式宜采用文獻(xiàn)【4】中圖2 a)右側(cè)節(jié)點(diǎn)型式(如圖1所示)，同時(shí)適當(dāng)提高對接焊縫高度，焊接接頭的幾何尺寸應(yīng)在圖面上有明確的要求。

2) 提高塔體下封頭與裙座對接焊縫高度，減緩幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，從而緩解應(yīng)力集中情況，提高疲勞壽命。

3) 必要時(shí)，應(yīng)對裙座與下封頭對接焊縫進(jìn)行疲勞計(jì)算和分析，以判定塔器在共振時(shí)的安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，高聳塔器因風(fēng)而引起的共振是工程設(shè)計(jì)中不可避免的問題，無論是前期的設(shè)計(jì)階段還是中間過程的制造環(huán)節(jié)，直到安裝施工，都要采取措施來保證塔器安全。實(shí)際上，最經(jīng)濟(jì)與最有效的防振措施是在設(shè)計(jì)階段認(rèn)真地對塔設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析，根據(jù)分析結(jié)果，采取相應(yīng)的防振措施。如果塔器不發(fā)生共振，或雖發(fā)生共振，但塔的振幅與所受的載荷均未超過規(guī)定的界限，則無需采取進(jìn)一步的防振措施。