雷明華

（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230009）

·化工設(shè)備與自動(dòng)化·

塔器設(shè)計(jì)中的橫風(fēng)向振動(dòng)

雷明華

（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230009）

塔器振動(dòng)事故時(shí)有發(fā)生，從塔器設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)塔器設(shè)計(jì)中碰到的橫風(fēng)向振動(dòng)（誘導(dǎo)振動(dòng)）提出了多種減振和防振措施。

塔器；橫風(fēng)向振動(dòng)；誘導(dǎo)振動(dòng)；減振；卡門渦街

近年來，塔器振動(dòng)事故時(shí)有發(fā)生。塔器振動(dòng)時(shí)，通過實(shí)際測(cè)量計(jì)算，塔頂振幅一般在0.2～0.8m，有時(shí)會(huì)達(dá)1m以上，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)還伴有很大響聲；另外，振動(dòng)會(huì)造成塔頂管線法蘭泄漏，塔底裙座地腳螺栓松動(dòng)，裝置操作性能下降或無法正常運(yùn)行，塔體產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至造成塔體破壞等事故。

通常情況下，塔器在風(fēng)載荷作用下的振動(dòng)分兩種情況：一種是順風(fēng)向振動(dòng)，即塔器在風(fēng)力的作用下，沿風(fēng)向平行來回?cái)[動(dòng)；另一種是橫風(fēng)向振動(dòng)，即誘導(dǎo)振動(dòng)，塔器沿與風(fēng)向垂直方向上的來回?cái)[動(dòng)。相比而言，誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理復(fù)雜，理論計(jì)算難免同實(shí)際情況存在偏差，且誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)塔器的危害性更大一些。

塔器振動(dòng)誘導(dǎo)因素較多，導(dǎo)致塔器設(shè)計(jì)之初，常常未能對(duì)風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的幾率、危害性給予準(zhǔn)確的評(píng)判并進(jìn)行合理的控制，而只能等到發(fā)生誘導(dǎo)振動(dòng)后才能考慮減振措施，但此時(shí)塔器周邊現(xiàn)場(chǎng)的條件受限，又限制了許多原本切實(shí)可行的減振措施的實(shí)施。

因而，塔器設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視塔器的誘導(dǎo)振動(dòng)，改進(jìn)設(shè)計(jì)手段，完善設(shè)計(jì)計(jì)算，在設(shè)計(jì)階段就將誘導(dǎo)振動(dòng)控制在合理的范圍內(nèi)。

1 橫風(fēng)向振動(dòng)（誘導(dǎo)振動(dòng)）的產(chǎn)生機(jī)理和條件

卡門渦街（圖1）是造成誘導(dǎo)振動(dòng)的主要原因。卡門渦街交替脫落時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并發(fā)出聲響，這種聲響是卡門渦街周期性脫落時(shí)引起的流體壓強(qiáng)脈動(dòng)所造成的聲波，如日常生活中聽到風(fēng)吹電線的風(fēng)鳴聲就是渦街脫落引起的。如果渦街的交替脫落頻率與物體的聲學(xué)駐波頻率相重合，還會(huì)出現(xiàn)共振。事實(shí)上，只要發(fā)生邊界層脫離，就可能出現(xiàn)卡門渦街。因此，有些水下設(shè)備或者航空設(shè)備都須做成流線型，以避免卡門渦街的破壞作用。

圖1 卡門渦街現(xiàn)象示意圖

因此，風(fēng)誘導(dǎo)塔器設(shè)備共振必須具備兩個(gè)條件：①存在卡門渦街現(xiàn)象；②風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)頻率等于塔器振動(dòng)的固有頻率。

2 關(guān)于橫風(fēng)向振動(dòng)（誘導(dǎo)振動(dòng)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求

NB/T47041《塔式容器》中7.6.2條款明確要求在“當(dāng)H/D＞15且H＞30m時(shí)，還應(yīng)計(jì)算橫風(fēng)向風(fēng)振”。

3 誘導(dǎo)共振的判定和塔體共振的計(jì)算

塔器誘導(dǎo)振動(dòng)分析的重點(diǎn)是為了防止橫風(fēng)向共振，而卡門渦街漩渦脫落頻率或漩渦脫落周期是判斷塔器是否發(fā)生橫風(fēng)向共振的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)漩渦脫落頻率與塔器的任一固有頻率一致時(shí)，塔器將發(fā)生共振。若把發(fā)生共振時(shí)的風(fēng)速定義為臨界風(fēng)速νcr，則此時(shí)具有如下關(guān)系：

塔器共振的頻率f=塔器固有的頻率=漩渦脫落的頻率fs=漩渦產(chǎn)生的頻率

漩渦脫落頻率是指每秒鐘從流動(dòng)中脫落出的漩渦數(shù)，而它可以通過斯托羅哈數(shù)（Strouhal Number）表示出來，代號(hào)St。即：

式中：fs為漩渦脫落頻率；D為塔體的外徑，對(duì)不等直徑的塔取加權(quán)平均值；ν為空氣流速。

臨界風(fēng)速νcr與塔器的共振頻率或周期有關(guān)，若塔器取第一振型的自振頻率，則對(duì)應(yīng)的是第一臨界風(fēng)速νcr1；若塔器取第二振型的自振頻率，則對(duì)應(yīng)的是第二臨界風(fēng)速νcr2。

因此：

臨界風(fēng)速可以用來判斷塔器是否發(fā)生橫向風(fēng)振，倘若設(shè)計(jì)風(fēng)速νD在下述條件下，則有：

設(shè)計(jì)風(fēng)速νD取塔設(shè)備頂部風(fēng)速。

實(shí)際上，最經(jīng)濟(jì)有效的防振措施是在設(shè)計(jì)階段認(rèn)真地對(duì)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，但塔器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。即使發(fā)生振動(dòng)，振幅也不應(yīng)超過塔器高度的1/200。

NB/T47041《塔式容器》中第7.6.2.3，7.6.2.4，7.6.2.5條款中有塔體共振的計(jì)算方法。在SW6軟件中也有相應(yīng)的情況計(jì)算，設(shè)計(jì)者自行進(jìn)行計(jì)算和判斷即可。

4 塔器防振的對(duì)策

塔器防振措施有多種，其中主要有：

（1）增大塔器的自振周期

降低塔器高度，增加塔器的直徑都可增大塔器的自振周期，但必須與工藝操作條件結(jié)合起來一同考慮；加大塔體壁厚或采用密度小、彈性模量大的結(jié)構(gòu)材料也可增大塔器的自振周期；如果條件許可，在相應(yīng)于塔的第二振型曲線節(jié)點(diǎn)位置處加設(shè)一個(gè)鉸支座，可以有效達(dá)到增大自振周期的目的。

（2）增加塔的阻尼

增加塔的阻尼對(duì)抑制塔的振動(dòng)起很大作用。塔盤上的液體或填料都是有效的阻尼物。研究表明，塔盤上的液體可以將振幅減少10%。

（3）采用擾流裝置

梯子、平臺(tái)和外部擾流件都能起到擾亂卡門渦街的作用。實(shí)踐證明，在大型塔器上部1/3高度的部分焊上軸向式翅片或螺旋條有很好的防振效果。螺旋形翅片比軸向式翅片的效果更好。經(jīng)驗(yàn)表明，裝有螺旋形翅片的塔器相較裝有軸向式翅片的塔器振幅減少2/3左右。

NB/T47041《塔式容器》第8.6條款提醒現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置獨(dú)立的平臺(tái)，且平臺(tái)及附塔管道應(yīng)與塔器同期安裝，以防止獨(dú)立塔體發(fā)生橫風(fēng)向共振。NB/T47041《塔式容器》第8.6.2條款指出，必要時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置螺旋形擾流片。

若塔器已安裝或制造就位后，已發(fā)生超過其允許的振動(dòng)，則應(yīng)采取措施以防止振動(dòng)的產(chǎn)生或是將振動(dòng)的危害性降到最低。常見的措施有：

（1）支撐法：采用交叉式或固定裝置進(jìn)行支撐，使塔設(shè)備固定。

（2）拉索法：設(shè)置拉索或纜繩固定塔器，就如同常見的高聳煙囪利用拉索或纜繩進(jìn)行固定一樣。此法最大的缺點(diǎn)是需要有足夠的拉索或纜繩布置空間。若能實(shí)施，對(duì)減振效果明顯。

（3）框架法：在塔器外圍設(shè)置框架，此法跟支撐法有異曲同工之妙，可利用框架與塔器進(jìn)行固定，框架及支撐又可以破壞卡門渦街的形成。

（4）擾流片法：在塔器上部1/3高度的部分安裝螺旋形翅片或軸向式翅片。此法在塔器上實(shí)施起來有一定的難度。一般此時(shí)塔器通常有外保溫層或安裝有較多的塔器附件（如梯子、塔平臺(tái)、管線等）。

（5）鏈條法：在塔器的平臺(tái)或外壁懸掛橡膠或軟質(zhì)材料包裹的鐵鏈條。鐵鏈條及其附屬材料應(yīng)固定牢靠，以防發(fā)生意外。

（6）設(shè)置液體或剛體質(zhì)量阻尼器：在塔器不同高度處，安裝液體或剛體質(zhì)量阻尼器。液體阻尼器常見的為封閉水箱，在塔器振動(dòng)時(shí)，由于液體（常用介質(zhì)為水）與塔體的不同步，這種晃動(dòng)與塔器的振動(dòng)疊加后，對(duì)高聳塔器的減振尤其明顯；另外，剛體質(zhì)量阻尼器通過改變塔器整體結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼達(dá)到減振的目的。但此法造價(jià)比較高，增加塔器自身負(fù)重，因此一般不采用。

（7）安裝附件法：塔器安裝就位后，盡快緊固地腳螺栓；同時(shí)，應(yīng)盡快安裝平臺(tái)、梯子、管線及塔內(nèi)件（塔盤、塔板、填料等）。

（8）其他方法：合理布置塔器的平臺(tái)、梯子、管線和其他附件。設(shè)備專業(yè)人員可以協(xié)同其他設(shè)計(jì)專業(yè)人員進(jìn)行合理布置?？紤]塔器所在地的風(fēng)向，不增加塔器附加荷載等等，這樣也有利于減振和防振。

5 結(jié)束語(yǔ)

塔器發(fā)生橫風(fēng)向振動(dòng)（誘導(dǎo)振動(dòng)）的事例已多次出現(xiàn)，給企業(yè)帶來不安全隱患或事故。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從本質(zhì)化安全角度出發(fā)，采用多種方法進(jìn)行減振或防振，控制塔器的橫風(fēng)向振動(dòng)（誘導(dǎo)振動(dòng)）。不論是設(shè)計(jì)之時(shí)還是事后振動(dòng)的補(bǔ)救，應(yīng)多從設(shè)計(jì)者的角度和實(shí)際出發(fā)，采用經(jīng)濟(jì)合理的措施。

[1]NB/T47041-2014，塔式容器[S].

[2]GB150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

[3]HG20652-1998，塔器設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[4]路秀林，王者相.塔設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5]SH/T 3098-2011，石油化工塔器設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]楊國(guó)義，王者相，陳志偉，等.NB/T 47041-2014《塔式容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義與算例[M].北京：新華出版社，2014.

[7]劉道德.化工設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì) [M].湖南：中南大學(xué)出版社，2003.□

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.05.026

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1008-553X（2016）05-0088-03

2016-05-17

雷明華（1980-），男，高級(jí)工程師，從事設(shè)備設(shè)計(jì)工作，13865906990，0551-64653867，1902745778@qq.com。