高耸塔器风致振动的现场实测与疲劳分析①

徐 乐 谭 蔚 贾占斌 杜怡安 樊显涛

(天津大学化工学院)

塔器是化工行业中典型的高耸设备，一般安装在室外，在工作时会同时受到顺风向与横风向风荷载的作用。顺风向荷载与振动方向一致，横风向荷载与振动方向垂直，后者往往在高耸塔器的风致振动中起主要作用[1]。

随着装备制造水平的提高，塔器朝着高参数、大型化发展，塔器的高径比不断增加，结构变得越来越柔，使得风致振动事故不断发生[2～4]。塔器振动轻则影响产品质量、降低生产效率，重则损害设备，危害生产安全。塔器在正常操作状态下，由于塔体中填料(或塔板)、物料的存在，阻尼比较大，不易发生风致振动。但当塔器处于停车检修等空塔状态时，阻尼比减小，极易发生振幅较大的风致振动，有研究者进行了相关报道[5]。目前针对塔器风致振动的研究多为数值模拟计算，缺乏现场实测数据的支持[6]。

笔者针对一座停车检修的塔器风致振动进行现场实测，并根据实测数据，结合现行标准[7，8]，对塔器进行了振动分析和疲劳校核，以期为塔器风致振动分析和疲劳校核提供参考。

1 现场实测

测试实验是针对某石化公司高约75m的精

馏塔开展的，该塔器经历了为期30天的停车检修，在塔器静置的过程中，发生了较为明显的横风向振动，塔器的相关参数如下：

设计压力 1.0MPa

设计温度 145℃

内径 1 400mm

总高 76 725mm

壳体厚度 14～44mm

材料 Q345R

现场测试仪器是DHDAS高速静态应变采集仪、DHDAS无线动态应变采集仪、压阻式加速度传感器、高灵敏度应变片、风速仪及风向仪等。在180°的第5层平台壁面处均布4个加速度传感器探头，平台高度为47.8m，在底部距基础环板0.1m处沿环向均布应变片，测点布置如图1所示。

近地面处应变片采集的信号通过连接线传输给计算机，47.8m处加速度探头采集的信号通过无线传输的方式传送给计算机。配套的静态、动态采集分析系统可以完成振动信号的实时采集、保存和后处理。采集环境荷载对塔器进行激励时的振动信号，将获得的信号综合运用自功率谱密度函数和随机减量法识别塔器的模态参数。相较于传统塔器模态参数测量时绑定钢索、集中力激振等方法，环境激励的方法不会损伤塔器器壁，也不需要昂贵的激振设备，只需利用传感器测量结构的响应信号即可，该方法易操作且经济性高[9]。测试参数和环境参数如下：

图1 应变和加速度测点设置

最大风速 6.4m/s

加速度测点个数 4

应变测点个数 8

采样时长 1 800s

加速度采样频率 100Hz

应变采样频率 20Hz

测得塔器的实验数据和后处理结果如图2所示。图2a、b为测点加速度原始数据和FFT结果，由此可以得到塔器一阶、二阶固有频率分别为0.256、1.398Hz。图2c为测试过程中截取的发生横风向振动的应变曲线，由曲线可得发生振动时裙座处轴向应变为2.1με，并由此曲线可计算出此时塔器振动的频率为0.259Hz，非常接近塔器一阶固有频率，证明塔器发生了一阶横风向振动。图2d为对加速度信号进行随机减量处理后得到的自由衰减曲线，由自由衰减曲线可计算出塔器阻尼比为0.004 2，该阻尼比小于按标准设计时阻尼比取值0.01。

图2 现场测试及后处理结果

NB/T 47041-2014中公式(16)给出了等直径变壁厚塔器的一阶固有频率计算公式，将塔体按照不同壁厚分为7个计算段，计算出一阶固有频率为0.221Hz。标准计算值比现场实测值小13.6%，这是由于标准在计算时，塔体按照操作质量选取，而测试塔器处于检修状态，质量较小，因而一阶固有频率大于操作状态。

根据NB/T 47041-2014中公式(39)横风向塔顶振幅计算公式，将现场测试得到的参数(一阶固有频率0.256Hz，阻尼比0.004 2)代入公式(39)，可算出塔顶横风向振幅为83mm。现场监控曾记录下塔器发生振动时的视频录像，由后期高速摄影图像处理软件，计算出当时横风向振动位移为91mm，与标准计算值相差8.7%，可以认为在获取到塔器现场参数后，依据标准计算得到的塔器横风向位移是较为准确的。

2 数值模拟计算

现场实测时，由于应变测点位置与塔器振动方向呈一定角度，因此不便于通过理论方法计算，笔者采用数值模拟计算。

标准NB/T 47041-2014采用振动理论，在计算得到横风向塔顶振幅后，用共振时惯性力计算等效横风向荷载。经过等效后，横风向荷载变为等效的静力荷载[10]，即：

(1)

mi——第i段塔体质量；

Tj——第j阶固有频率；

YTj——横风向振幅；

φi——i截面振形系数。

对于等直径塔器，其振形函数可表达为：

(2)

式中H——塔器总高；

Zi——i截面高度。

由式(1)、(2)可推导出i截面处等效横风向荷载：

(3)

利用ANSYS软件对该精馏塔进行了全尺寸建模，其中塔体采用壳单元SHELL181，平台采用梁单元BEAM188，平台与塔体通过MPC184单元绑定接触，局部网格如图3所示。模拟计算时，通过定义加载函数，将式(3)作为面压力加在塔器表面。现场测试时，由于应变片在塔器安装后粘贴，应变片测得的仅为塔器在风荷载作用下的轴向应变，而不包含塔器自身重力引起的轴向应变，故模拟计算时不考虑塔器的自身重量，得到了塔器的位移和测点应变，如图4所示。

图3 局部网格示意图

数值模拟计算值与现场实测值对比见表1。由表可知，模态误差在5%以内，应变误差在10%以内。将标准计算得到的振幅转化为等效惯性力，并通过数值模拟计算此惯性力下的测点应变与现场实测应变接近，表明采用塔器实测参数按照标准计算的方法是可行的。

3 疲劳分析与校核

根据NB/T 47041-2014中公式(43)，将现场实测得到的一阶固有频率、阻尼比代入方程式可计算塔体共振时各计算截面横风向弯矩，进而可计算出由横风向引起的轴向应力。

图4 顶部位移和测点应变

参数现场实测值ANSYS计算值一阶固有频率/Hz0.2560.267二阶固有频率/Hz1.3981.466测点应变/με2.1002.303

塔器处于检修时没有内压引起的应力，考虑塔器自身重力载荷后，经计算最大应力出现在裙座与筒体的焊缝处(I-I截面)，该截面处的应力如下：

由JB 4732-1995(2005确认)标准中图C-1，得到该精馏塔允许循环振动次数大于106。

由一阶固有频率，可算出允许塔体连续振动时间大于45天，相对于停车检修30天的时间，可认为允许共振时间足够长，即该精馏塔在检修状态下可以抵抗横风向共振引发的疲劳破坏。

4 结束语

针对一座75m高精馏塔进行了检修条件下的风致振动测试，测试结果表明，设计计算时所取阻尼比0.01大于检修条件下的阻尼比0.004 2，一阶固有频率比检修条件小13.6%。采用实测值按照NB/T 47041-2014标准和JB 4732-1995(2005确认)标准进行应力计算与疲劳校核，结果表明该精馏塔在检修状态下可以抵抗横风向共振引发的疲劳破坏。由于检修(空塔)条件与设计条件下的塔器固有频率和阻尼比不同，笔者采用的现场测试与标准相结合的塔器风致振动计算分析方法，可以较为准确地评估检修(空塔)时横风向振动可能引起的疲劳破坏，可为塔器风致振动计算和疲劳分析提供参考。

[1] 元少昀.塔器、烟囱等高耸结构诱导振动的振因、振害分析及减振对策[J].石油化工设备技术，2009，30(6)：5～8，4.

[2] 聂清德，谭蔚，张明贤，等.乙烯精馏塔的防振[J].化工机械，1999，26(6)：330～332，348～361.

[3] 孙腾良.我国石油和化工装备制造业面临的问题及发展方向[J].化工机械，2011，38(1)：1～6，10.

[4] Peil U，Behrens M.Fatigue of Tubular Steel Lighting Columns under Wind Load[J]. Wind and Structure，2002，5(5)：463～478.

[5] 薛坤.一起罕见的高塔共振现象[J].压力容器，1985，2(6)：61.

[6] 汪睿，陈学东，范志超，等.高耸塔器顺风向风振响应与疲劳寿命数值分析[J].压力容器，2013，30(11)：29～36.

[7] NB/T 47041-2014，钢制塔式容器[S].北京：新华出版社，2014.

[8] JB 4732-1995(2005确认)，钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：中国机械工业出版社，1995.

[9] 黄方林，何旭辉，陈政清，等.随机减量法在斜拉桥拉索模态参数识别中的应用[J].机械强度，2002，24(3)：331～334.

[10] R 克拉夫，J 彭津，著，王光远，译. 结构动力学[M].北京：高等教育出版社，2006：173～183.