楊帥

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071)

0 引言

我國(guó)是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，平均每年有7個(gè)臺(tái)風(fēng)在我國(guó)登陸，2018年第22號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”于9月16日在廣東臺(tái)山市海宴鎮(zhèn)登陸，登陸中心風(fēng)力14級(jí)(約45 m/s)，風(fēng)力強(qiáng)、影響范圍大，對(duì)廣東、廣西各地的石化企業(yè)造成了嚴(yán)重威脅。塔設(shè)備是石油化工、精細(xì)化工等領(lǐng)域的重要設(shè)備之一，其投資費(fèi)用占整個(gè)工藝設(shè)備費(fèi)用的25%～35%[1]。塔設(shè)備由于其較大的高徑比，容易受到臺(tái)風(fēng)載荷的影響，造成結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而引發(fā)泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故。

對(duì)塔設(shè)備而言，風(fēng)載荷引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力占總結(jié)構(gòu)應(yīng)力的80%～90%[2]。風(fēng)載荷對(duì)塔設(shè)備的作用可分為順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向來(lái)研究[3]。順風(fēng)向振動(dòng)為順風(fēng)向承受風(fēng)力作用時(shí)產(chǎn)生與風(fēng)向相同的振動(dòng)，橫風(fēng)向振動(dòng)為橫風(fēng)向承受風(fēng)力作用時(shí)產(chǎn)生的橫向振動(dòng)。由于扭轉(zhuǎn)距對(duì)塔設(shè)備影響較小，一般可忽略。在上述3種作用中，由塔設(shè)備背風(fēng)向的卡曼渦街引發(fā)的橫風(fēng)向振動(dòng)對(duì)塔設(shè)備的影響最大[4-5]。由風(fēng)載荷引起的塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)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(yùn)行，引發(fā)泄漏、火災(zāi)、爆炸等二次事故[6]。風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)造成塔設(shè)備共振與塔設(shè)備的固有頻率有關(guān)，不同塔設(shè)備發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)所需的風(fēng)載荷并不相同[7-9]，如何定量評(píng)估風(fēng)載荷對(duì)塔設(shè)備造成的損害是十分重要的。

本文以東南沿海某石化項(xiàng)目的乙烯精餾塔為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件ANSYS建立流固耦合數(shù)值模型對(duì)乙烯精餾塔的風(fēng)載荷分布及風(fēng)振響應(yīng)情況進(jìn)行分析，研究乙烯精餾塔附近的風(fēng)壓、風(fēng)速等風(fēng)場(chǎng)特性以及該風(fēng)場(chǎng)下乙烯精餾塔的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，對(duì)乙烯精餾塔在臺(tái)風(fēng)下的可靠性進(jìn)行分析，為自然災(zāi)害下的事故應(yīng)急處置提供技術(shù)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(xiàng)目中的乙烯精餾塔作為分析對(duì)象，該塔高度約83 m，外徑為3.26 m，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 乙烯精餾塔基本設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 模態(tài)分析

由于乙烯精餾塔的風(fēng)振分析只考慮塔器的整體振動(dòng)，不考慮塔器的局部模態(tài)，因此只對(duì)塔器的整體模態(tài)進(jìn)行分析。乙烯精餾塔的模型采用容易發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)的空塔模型，內(nèi)部塔盤(pán)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(duì)乙烯精餾塔進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)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(fēng)速

我國(guó)《塔式容器》(NB/T 47041—2014)[10]標(biāo)準(zhǔn)中給出了一種共振判據(jù)，當(dāng)塔設(shè)備的高度H>30 m且高度與平均直徑之比H/D>15時(shí)，可以比較i階臨界風(fēng)速vci和臨界風(fēng)速v大小后進(jìn)行判斷。塔設(shè)備共振臨界風(fēng)速按式(1)計(jì)算為

式中，vci為第i階振型共振時(shí)的臨界風(fēng)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(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)對(duì)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(jì)算的乙烯精餾塔共振頻率，可以得到前六階的共振臨界風(fēng)速如表3所示。該石化企業(yè)所在區(qū)域長(zhǎng)期受到臺(tái)風(fēng)威脅，但136 m/s左右的臺(tái)風(fēng)在當(dāng)?shù)貙?shí)屬罕見(jiàn)，因此在考慮共振臨界風(fēng)速時(shí)只需要考慮前四階共振臨界風(fēng)速即可。

表3 乙烯精餾塔共振臨界風(fēng)速 m/s

2 風(fēng)振響應(yīng)分析

2.1 流場(chǎng)模型設(shè)置

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算區(qū)域在對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響的前提下應(yīng)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(gòu)投影面積與計(jì)算區(qū)域面積的比例應(yīng)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(tái)風(fēng)計(jì)算域，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行區(qū)塊劃分，并采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格進(jìn)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(gè)。

圖3 風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)格劃分

風(fēng)場(chǎng)采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 16.0進(jìn)行分析，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)湍流模型采取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，風(fēng)場(chǎng)進(jìn)口為速度進(jìn)口，其余出口都為壓力出口，風(fēng)場(chǎng)底面設(shè)置為wall。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)作為時(shí)間方案。風(fēng)場(chǎng)速度進(jìn)口采用指數(shù)風(fēng)剖面，其風(fēng)速如式(2)所示，采用UDF耦合入Fluent軟件中進(jìn)行設(shè)置。

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

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

2.2 風(fēng)載荷分布

以臺(tái)風(fēng)“山竹”期間該石化企業(yè)附近風(fēng)速23 m/s為例，乙烯精餾塔表面的風(fēng)速分布、風(fēng)壓分布、風(fēng)速矢量分布分別如圖4～圖7所示。乙烯精餾塔附近風(fēng)速逐漸降低，在乙烯精餾塔的背風(fēng)向投影區(qū)存在一條延伸至出流邊界的低風(fēng)速帶，并且低風(fēng)速帶內(nèi)的平均風(fēng)速隨高度逐漸降低。在低風(fēng)速帶區(qū)域內(nèi)，乙烯精餾塔背風(fēng)向附近存在少許漩渦，沒(méi)有形成卡曼渦街。原因在于乙烯精餾塔背風(fēng)向附近風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)，該雷諾數(shù)處于過(guò)渡區(qū)，該區(qū)域內(nèi)卡曼渦街消失。對(duì)于風(fēng)壓分布，塔設(shè)備迎風(fēng)面和對(duì)應(yīng)兩側(cè)塔頂部承受的風(fēng)壓較大，迎風(fēng)面表現(xiàn)為壓力，兩側(cè)表現(xiàn)為吸力，因此臺(tái)風(fēng)對(duì)塔設(shè)備造成的塔頂撓度不僅表現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)的X方向，也體現(xiàn)在兩側(cè)的Y方向，需要對(duì)其變形量進(jìn)行綜合考慮。

圖5 風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速矢量分布

圖6 風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓分布

圖7 乙烯精餾塔風(fēng)壓分布

2.3 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)乙烯精餾塔表面的風(fēng)壓分布結(jié)果，對(duì)乙烯精餾塔在臺(tái)風(fēng)“山竹”下的的應(yīng)力、變形情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。乙烯精餾塔的最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔體及裙座的迎風(fēng)面交匯處，應(yīng)力隨著高度的增加逐漸減小，塔頂處應(yīng)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(fēng)向相同。

圖8 乙烯精餾塔應(yīng)力分布云圖

圖9 乙烯精餾塔變形分布云圖

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

圖10 乙烯精餾塔最大應(yīng)力與最大變形隨時(shí)間的變化曲線

根據(jù)風(fēng)速10～50 m/s情況下乙烯精餾塔的塔體、裙座最大應(yīng)力和塔頂最大變形的模擬結(jié)果，通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到上述物理量隨風(fēng)速的變化關(guān)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(yīng)力隨風(fēng)速的變化關(guān)系為

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

(3)

裙座最大應(yīng)力隨風(fēng)速的變化關(guān)系為

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

(4)

最大變形隨風(fēng)速的變化關(guān)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(qiáng)度分別為300 MPa和245 MPa。乙烯精餾塔的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在塔體和裙座的連接點(diǎn)處，靠近塔體一側(cè)，而裙座上部應(yīng)力也相對(duì)較高，因此需要同時(shí)對(duì)出現(xiàn)在塔體底部的最大應(yīng)力及裙座上部的最大應(yīng)力進(jìn)行校核。當(dāng)塔體達(dá)到屈服極限300 MPa時(shí)，對(duì)照?qǐng)D11可以獲得極限風(fēng)速為33 m/s，而對(duì)照?qǐng)D12該風(fēng)速下裙座的最大應(yīng)力為210.8 MPa，未超過(guò)裙座材料A-285Gr.C的屈服極限，因此對(duì)于該乙烯精餾塔，達(dá)到屈服極限的瞬時(shí)風(fēng)速為33 m/s。

為了保證塔設(shè)備內(nèi)的化工工藝過(guò)程正常進(jìn)行，必須把塔設(shè)備軸線的不垂直度控制在一定范圍之內(nèi)。國(guó)內(nèi)對(duì)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(dá)到屈服極限的瞬時(shí)風(fēng)速33 m/s，對(duì)照?qǐng)D13可以獲得該風(fēng)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(guò)程正常進(jìn)行。因此風(fēng)速低于33 m/s，乙烯精餾塔的最大應(yīng)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(yùn)行，乙烯精餾塔正常運(yùn)行的風(fēng)速應(yīng)低于18.5 m/s。

根據(jù)《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (JB 4732—1995)[12]的C-1疲勞曲線，許用循環(huán)次數(shù)N>106。在該風(fēng)速下，乙烯精餾塔不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

圖11 乙烯精餾塔塔體最大應(yīng)力隨風(fēng)速的變化曲線

圖12 乙烯精餾塔裙座最大應(yīng)力隨風(fēng)速的變化曲線

圖13 乙烯精餾塔最大變形隨風(fēng)速的變化曲線

3 結(jié)論

(1)乙烯精餾塔的最大應(yīng)力出現(xiàn)在迎風(fēng)子午線與塔體及裙座的交匯點(diǎn)，也就是乙烯精餾塔塔體與裙座連接處的迎風(fēng)點(diǎn)與背風(fēng)點(diǎn)。在迎風(fēng)子午線的裙座內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)了應(yīng)力集中點(diǎn)，略低于塔體底部應(yīng)力。塔體應(yīng)力隨著高度的增加逐漸減小，塔頂處應(yīng)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(fēng)向相同。

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

(3)通過(guò)對(duì)乙烯精餾塔的可靠性評(píng)估，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀鄺l件，認(rèn)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(rèn)為乙烯精餾塔在低于33 m/s(12級(jí)風(fēng))的風(fēng)速下較為安全，但超過(guò)18.5 m/s(8級(jí)風(fēng))后乙烯精餾塔的撓度超過(guò)塔設(shè)備正常運(yùn)行的許用撓度，對(duì)乙烯精餾塔的正常運(yùn)行造成影響。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)臺(tái)風(fēng)的即時(shí)風(fēng)速對(duì)乙烯精餾塔進(jìn)行疲勞分析，判斷疲勞壽命。