钢制塔器在石油化工装置中是广泛采用的一类重要设备,具有数量多、投资比重大的特点,由于其属于高径比大、直立的高耸结构,必然受到风载荷的作用,烟囱也是这类设备。随着新工艺流程、新装置的不断出现,以及装置的逐步大型化,塔器、烟囱的高径比也越来越大。一般来说,高度、高径比越大,受风载的影响也越大,在一定的条件下,便容易发生塔器振动的事故。
露天安置的高耸结构,在风载作用下可能同时存在两种振动:顺风向振动和横风向振动。因此,其振动轨迹是一个椭圆形的轨道。横风向振动,也称诱导振动,其对设备的危害性比顺风向振动更大。如德国斯图加特电视塔实测横风向振幅为顺风向的2. 4 倍,捷克1 座180 m 高电视塔因横风向共振振幅达1 m 而开裂。在国内,塔器或高耸的塔器发生诱导共振的事例也已多次出现:1994 年6 月,某乙烯装置中直径2 700 mm、高75 000 mm的乙烯精馏塔,当刮3～4 级风时,便沿与风垂直的方向剧烈振动,振幅达半米多;2008年,国内另一乙烯装置之脱甲烷塔(直径2 600mm/ 3 600 mm、高77 700 mm) 尚未投产就发生了诱导振动,并导致设备多处严重开裂;2009 年2 月,又一乙烯装置中乙烯塔,在刮5～6 级北风时,沿东西方向发生大幅度摆动,并伴随很大的声音。文献[1 ]和[ 3 ]详细分析了诱导共振的机理、对设备的危害及相应的减振措施。但诱导振动却又是在设计中经常被忽视的问题,这既有标准规范的原因,也有计算工具的因素。由于诱导振动机理复杂,国内开展这方面的研究也不过10 多年,直到近些年,诱导振动的问题才逐渐成为关注的重点。所以,JB 4710 —2005《钢制塔式容器》以前的版本及同类标准均未对诱导振动的计算及控制方法作出规定,使得设计者在塔器设计时无章可依,也就忽略了这个问题;另一方面,此前,缺乏能进行振动分析的计算软件,JB 4710 —2005 发布后,虽然增加了附录A“横风向的风力和风弯矩计算”,提出了高度H 大于30 m、高径比H/ D 大于15 的塔器在共振时横风力的计算方法, 目前主流的塔器计算软件, 如SW6 ,虽然也据此增加了横风力计算的功能,但还不能称其为完整的振动分析,计算书中甚至还没有给出明确的提示和结论,所以不能够引起设计人员的足够重视,因而多数情况下忽略了可能存在的诱导振动,造成设计不完善、存在安全隐患,或设备安装后发生诱导共振。SW6 在诱导振动的计算存在如下不足:塔器、烟囱等高耸结构风诱导共振的 判定准则及振动分析的相关问题
(1) 只计算了设计风速和临界风速,需要设计者自行判断是否需要进行振动分析;
(2) 只计算了第一阶诱导共振的弯矩;
(3) 没有进行疲劳校核;
(4) 没有对振幅进行计算和判定。由于这些问题的存在,计算后如下问题仍不明确:是否必须进行振动分析,发生诱导振动后,疲劳强度、振幅是否在控制范围之内,以及发生第二阶共振时,结构是否安全等。由于以上原因,导致结构设计之初,未能对诱导共振的几率、危害性给予准确的判断,忽略了本该进行的振动分析,没有采取合理的控制,往往是实际发生诱导振动后才意识到问题的严重性,再考虑采取减振补救措施,但此时设备现场的条件往往又限制了许多原本可行的减振措施的实行。因此,切实可靠的方法是重视塔器或烟囱的诱导共振,完善设计计算,在设计阶段就应该对诱导共振进行细致评判,做到以预防、控制为主,而不是事后补救。为此,需要先建立完善的共振判
定条件。国内外很多学者在这方面进行了深入细致的研究,得到了一些很有价值的的准则。本文先以这些准则的基本原理为基础,对诱导共振的判定条件作一归纳分析,并简要阐述振动分析的思路和方法; 对国内的设计标准JB 4710 —2005附录A ,本文针对基本风压的计算式等两个问题,提出质疑。
1 诱导振动的有关判别准则
按静载荷设计的塔器或烟囱,如可能产生诱导振动,并非所有情况均要无条件地进行振动分析,而是应先判定是否必需进行振动分析,再进一步判定结构在振动时是否稳定。这就要求必须建立准确、合理、简单有效的判定准则,以满足工程设计的需要。
国内外开展风诱导振动的研究已有将近40年的历史,有关学者提出了不同的评定准则。综合起来主要有如下7 个准则。对使用英制单位的判定准则,为便于国内设计者使用,本文将其转化为国际单位制,为便于对比,将各符号及英制判定式标示在括号内。
1. 1 Zorrilla 准则( 载荷判据) [ 1]
该准则由Zorrilla 加以补充和完善,包含2 个细则。细则1 判定是否需要进行振动分析;细则2 判定结构在诱导振动时是否稳定。其判定时所依据的主要参数是重量载荷,因此,可将该准则称为载荷判据。细则1 :应满足表1 要求。
1. 2 ASME准则( 速度判据)
美国ASME STS - 1 - 2000《钢烟囱》,提出了一种用临界旋涡速度判定的方法。该标准计算一种称为临界旋涡速度V cv的参数,用V cv 与临界风速V c 相比,从而作出判定。由于这个特点,因此可将该准则称为速度判据。
本方法取阻尼系数ζ为两部分之和,一为气动阻尼ζa ,另一个为钢结构阻尼ζs 。本判定准则
式计算振动引起的当量静载荷Fe :
Fe =C1 qDa3L/ DC2ρD2a3wa3N/ m(lb/ f t)式中: q ———风压,Pa ( Psf) 。根据Fe 可得出诱导振动的当量静弯矩,将其与顺风向弯矩叠加,从而得到诱导振动时结构所受的总风弯矩。以此总弯矩校核结构在振动时的强度,若强度不通过,则应增加结构的厚度,直到计算通过.
1. 4 JPI 准则( 频率判据)
日本规范J PI - 7R - 35 - 78《带裙座塔类的强度计算标准》提出了另一种判定准则,以塔器的振动频率f 与其某一振型的自振频率f ci相比较,当满足0. 85 f ci ≤f ≤1. 3 f ci 时,应考虑诱导振动的影响。由于该准则是以频率为参量建立的,故可称为频率准则。
该判定方法考虑到了频率计算时可能存在误差,以及发生共振时存在频率的“锁定区”的问题,因而规定当振动频率位于自振频率的某一区间时,应考虑可能发生激烈共振。但利用该判别式可能存在一个误区,容易漏判隐含于公式之内的共振。如当f > 1. 3 f c1 并且f < 0. 85 f c2 时,按判别式,可不考虑诱导振动的影响。但实际上,在频率到达此区间内的过程中,风速将通过第一阶共振对应的风速区,若在该风速区内停留时间较长,其产生的诱导共振将不容忽视。
1. 5 雷诺数准则
以是否出现卡门涡街作为判定条件。认为当雷诺数Re 在如下范围内时,将出现卡门涡街,发生诱导共振,应考虑共振的影响[2 ] :
(1) 300 ≤Re < 3 ×105 时,进入亚临界区,出现卡门涡街,塔体产生周期性振动;
(2) 3. 5 ×106 ≤Re 时,进入超临界区,卡门涡街重新出现,又出现周期性振动。与J PI 准则类似,采用本准则也容易漏判隐含于判定式之中的共振。如当3 ×105 ≤Re <3. 5 ×106时,风速将通过300 ≤Re < 3 ×105 对应的共振区,在此阶段内,发生共振是必然的。
1. 6 英国BS 5500 准则( 几何判据)
BS 5500 单纯采用结构的几何尺寸来判定,简单地规定当高径比L/ D ≥10 时,应考虑诱导共振的影响,故可称为几何判据。
5 结语
诱导振动对塔器等直立设备的危害比顺风向振动更大,但目前主流的SW6 等塔器计算软件,还不能进行完整的振动判定与分析。因此,计算后不能完全掌握和控制振动情况。考虑到并非所有直立设备的振动均要无条件地做振动分析,为做到设计阶段不忽略本该进行的振动分析,需要建立准确、合理的共振判定准则。
