65m高钢制排气筒消除横风向风振分析

王志雅

(上海互联环保工程技术中心，上海　200086)



65m高钢制排气筒消除横风向风振分析

王志雅

(上海互联环保工程技术中心，上海200086)

摘要：报道65m高钢制排气筒发生以及消除横风向风振的实例，对照有关标准对原设计进行分析，说明设计缺陷同发生横风向风振存在因果关系，总结发生及消除横风向风振的经验教训，为自立式钢烟囱的建造提供一个可供参考的案例。

关键词：排气筒；自立式钢烟囱；横风向风振；破风圈

1概况

65m高钢制排气筒安装于南京化工园区，属于自立式钢烟囱，其结构尺寸如图1所示。排气筒没有保温内衬，从上至下各段的材质和壁厚(尺寸单位为mm)见下表1。

由于可能有高温气体从排气筒排放，排气筒设计温度定为350℃。排气筒安装地的设计基本风压为400N/m2，环境空旷，周围没有影响风场的高大建筑物。

排气筒于2012年10月完成安装，至2013年5、6月当地进入每年的多风季节，每当地面风力持续达到4至5级时排气筒多次出现有规则的大幅度晃动，单边幅度达到220mm，晃动方向大致垂直于风向。上述现象具有高重现性。经现场观察和视频分析，判断为典型的第一振型横风向风振，为背风向交替发生的旋涡脱落(卡门涡街)造成排气筒产生共振所致。横风向旋涡脱落共振可能导致排气筒结构破坏，进而危及所在区域人员和财产的安全。

业主单位于2013年7月3日召开处置方案研究会议，与会单位一致同意排气筒设计制造商提出的在排气筒上方内径为2m的筒体外表面加装螺旋破风圈的补救措施。按JB/T4710-2005《钢制塔式容器》标准释义以及GB50051-2002《烟囱设计规范》，破风圈用200mm×6mm扁钢预制成螺距为10米的螺旋形，焊接在排气筒外表面，共有三道螺旋。排气筒加装破风圈的改造于当年8月完成。此后至今，虽然多次遇见持续大风天气，排气筒再未出现明显的风振现象。

表1　结构尺寸表

图1　65m排气筒示意图

2设计计算

由于排气筒从形状结构及承受风、地震等外力载荷的情形来看相似于钢制塔式容器，设计者对钢制塔式容器的设计比较熟悉，同时钢制塔式容器的设计有较为成熟详细的电算程序，故设计者选用全国化工设备设计技术中心站组织编制的SW6软件进行强度计算，其中钢制塔式容器的计算依据于JB/T4710-2005《钢制塔式容器》。对于复合钢板的壁厚，输入数据为碳钢厚度，不包含不锈钢的厚度。事实上，运用SW6进行排气筒的设计计算，在各段筒体及裙座壁厚的校核、地震载荷及风载荷计算、地脚螺栓校核、横风向风振的判断等等方面，都具有相当的准确性，采用SW6进行排气筒设计计算应该是不错的选择。

由SW6形成的排气筒计算书显示第一振型临界风速为9.50m/s，设计风速为34.11m/s，提示排气筒将会发生第一振型横风向共振。按JB/T4710-2005《钢制塔式容器》规定，当有横风向共振发生时，需要进行两个方向风弯矩合成后的强度校核，SW6会自动进行校核计算并给出是否校核合格的结论。但标准并未规定是否需要进一步考虑其它形式的失效(如疲劳)，设计人员应根据工程经验自行作出处理。排气筒计算书虽然给出了校核合格的结果，但这仅指强度计算通过，并不表示可以排除其它形式破坏的可能，对于钢结构，横风向风振导致的破坏多数不是强度破坏，而可能是疲劳等其它形式的破坏。也许出于设计者的疏忽，竟认为至此排气筒设计计算已经合格，没有进一步判断横风向风振的后果并考虑预防风振的措施，以致于设备出现危及安全的风振问题后，不得不回过头来采取加装破风圈的补救措施。

排气筒发生横风向风振时业主曾经测得地面风速为6.5m/s，按此折算排气筒顶部风速为8.8m/s，这与SW6计算书临界风速(第一振型)为9.5m/s的结果比较接近。说明用SW6形成的排气筒计算书判断横风向风振的发生是比较可靠的。

从排气筒的用途和结构特点看，它其实就是自立式钢烟囱，其设计应满足国家标准GB50051-2002《烟囱设计规范》的相关规定。对于自立式钢烟囱，GB50051-2002《烟囱设计规范》规定：

“当烟囱的临界风速小于6～7m/s时，应设置破风圈。当烟囱的临界风速为7～13.4m/s，且小于设计风速时，而用改变烟囱高度、直径和增加厚度等措施不经济时，也可设置破风圈。”计算书得出临界风速(第一振型)为9.50m/s，处在7～13.4m/s范围之内，而排气筒的高度或者直径不可能由设备设计改变，如果增加排气筒壁厚显然非常不经济，此时只有选择设置破风圈最为经济可行。所以，对于本文所述的排气筒理应在设计阶段就设置破风圈，避免发生横风向风振后再实施加装破风圈改造，从而避免因发生横风向风振造成的安全风险，以及因整改而发生的停产和额外施工的经济损失。

关于减缓或防止横风向风振的措施，JB/T4710-2005(标准释义)同GB50051-2002有着完全一致的表述，都推荐了轴向翅片和螺旋形翅片两种扰流器或称破风圈，设置的位置也有相同的要求。对于轴向翅片的尺寸，两标准的数据相近；对于螺旋形翅片的尺寸，两标准的数据相同。此外，JB/T4710-2005是针对塔设备的结构特点来制订的，就风振而言，排气筒毕竟同塔器存在区别，例如塔器的内件以及操作物料对于塔体振动具有明显的阻尼作用，而排气筒则完全没有这些因素，也就是说排气筒更容易发生横风向风振，一旦发生其共振也会更剧烈。

3结语

高耸结构在风的作用下，不但顺风向产生风振响应，而且横风向必然产生旋涡脱落风振，当横风向旋涡脱落频率与结构某阶自振频率一致时结构产生极大的横风向共振，如不注意结构将产生破坏，国内外已经有很多这类报导。本文报道的65m钢制排气筒(即自立式钢烟囱)发生横风向风振的实例，其设计同发生危及安全的横风向风振存在因果关系，其后采取加装螺旋破风圈的简单改造措施，取得了良好的防振效果。总结经验教训，为自立式钢烟囱的建造，提供一个可供参考的案例。

参考文献：

[1]JB/T4710-2005，钢制塔式容器[S].

[2]GB50051-2002，烟囱设计规范[S].

[3]张相庭.横风向旋涡脱落共振响应分极及在规范上的应用[J].建筑科学，2000，16(6)：22～25.

The Elimination of Across-wind Dynamic Vibrationfor the Steel Exhaust Funnel with height 65 meter

WANGZhi-ya

(Shanghai Internet Environmental Technology Center，Shanghai 200086)

Abstract：This paper indicates a real example of elimination of across-wind dynamic vibration for steel exhaust funnel with its height of 65 m. It also analyzes the original design according to the related industry standard，and explain the causal relationship between fault design and across-wind dynamic vibration so as to generalize the reasons for such issue and the method for the further elimination，generating the reference of building the self-supporting steel chimney.

Key words：exhaust funnel；self-supporting steel chimney across-wind dynamic vibration；strake(vane)

中图分类号：TQ053.5

文献标志码：B

文章编号：1003-6490(2015)01-0059-02

作者简介：王志雅(1946-)，男，江苏南京市人，高级工程师，长期在化工企业及设计院从事化工设备及压力容器设计工作，近年研究方向为烟气脱硫等环保工程的设计及总承包管理。

收稿日期：2014-11-14