调质阻尼器在石化高耸结构风振控制中的首次应用

贺安新， 徐振领， 张 斌， 王海明

(1.中海油惠州石化有限公司， 广东 惠州 516086；2.隔而固(青岛)振动控制有限公司， 山东 青岛 266108)

随着我国石化产业大力推进园区化和集约化，石油化工生产过程中高耸钢制塔器数量逐渐增多。同时，与之相对应的石化设备的大型化，也使得高耸钢制塔器总高度和直径日益增长。

文中对中海油惠州石化有限公司4.8 Mt /a催化裂化装置烟气脱硫洗涤塔调质阻尼器的设计及首次工程案例投用前后的测量数据进行介绍，可为国内石化行业钢制高耸结构控制风振提供参考。

1 调质阻尼器控振技术

1.1 工作原理

调频质量阻尼器(TMD，简称调质阻尼器)系统是结构被动减振控制体系的一种，目的是减少主结构构件在外力作用下的消能要求值。通过将主结构的一些能量传递给固定或连接在主要结构的子结构来完成的。

调质阻尼器系统主要由质量块、调频弹簧和阻尼元件组成，它将阻尼器系统自身的振动频率调整到结构振动的主要频率附近，当外力(风、地震)使得结构物的主振频率被激发时，阻尼器会产生与主结构反向共振的行为，此时作用在主结构上的能量会被调质阻尼器部分耗散掉，使输入到主结构中的能量减少，从而起到减小主结构动力响应的作用。

调质阻尼器根据刚度调频方式的不同，可分为弹簧支承式和单摆悬挂式两类，弹簧支承式调质阻尼器主要靠弹簧提供恢复力，通过调节弹簧的数量来调整阻尼器自身的频率，结构简图见图1。本文主要介绍弹簧支撑式调质阻尼器实际应用。

图1 弹簧支撑式调质阻尼器结构简图

1.2 应用领域[1-8]

调质阻尼器作为有效的减振措施在国内外桥梁、高层建筑、高耸结构、输电线、核电站、热电厂及轨道交通等领域均有广泛应用。上海浦东国际机场二期登机桥、伦敦千僖桥、崇启长江大桥、德国总理府步行桥、广州电视塔、奥林匹克公园瞭望塔、卡塔尔多哈亚运会主火炬塔、杭州湾大桥观光塔、西安小雁塔、深圳宝安机场T3航站楼、上海世博会文化中心开幕式场馆、西安三角航空400MN模锻液压机、山西某风电场44#风电机组、Ⅲ Barge型漂浮式风力机平台、北京西直门车站及指挥中心、韩国汉城-釜山高速铁路天安站等建筑和高耸结构中，均设计并安装有调质阻尼器。

2 烟气脱硫洗涤塔风振控制

2.1 结构特点

催化裂化装置是炼化企业的基础炼油装置。随着国家环保要求的日益严格，多数催化裂化装置新上了烟气湿法脱硫工艺系统，而烟气脱硫洗涤塔就是湿法脱硫的核心设备之一。烟气脱硫洗涤塔通常高80～120 m，具有总高度值大、高径比大、塔内压力较低、内部阻尼比小、抗风振能力差、钢烟囱段无内件及外部无平台等特点，是典型的炼油厂高耸结构[9-10]。

2.2 防振设计

烟气脱硫洗涤塔抗风振设计计算通常依据塔设备设计标准NB/T 47041—2014《塔式容器》7.6节风载荷进行。按照此标准计算风载荷，初期的固定投资大幅升高。目前比较好的抗风结构为增加螺旋扰流板，其优点是投资较少，安装较为简单，但在减小横风振动的同时由于改变了结构的体型系数而造成顺风向风弯矩增大。

3 应用调质阻尼器改进烟气脱硫洗涤塔风振控制

3.1 项目概况

中海油惠州石化有限公司位于广东省惠州市大亚湾石化区，其新建4.8 Mt /a催化裂化装置烟气脱硫洗涤塔总高119.75 m，截面形状为圆形，最大外径为9 m，最小外径为4.6 m。烟囱采用Q345R+316L复合板现场焊接而成，脱硫洗涤塔壁厚随高度逐渐变薄，底部厚度为(36+3)mm，顶部厚度为(20+4)mm，运行工况下总质量约1 113.8 t，空塔工况下总质量约为1 008.8 t。由于高度大、刚度柔，脱硫洗涤塔受风的影响较大，为了减少脱硫洗涤塔在风载荷作用下的动力响应，在脱硫洗涤塔标高113 m处设计了调质阻尼器。

3.2 设计与计算

3.2.1 防振工况考虑

(1)开停工 运行工况下，脱硫洗涤塔中会在标高35 m滤清模块中装有105 t循环浆液，此时测得洗涤塔主频率为0.736 6 Hz。空塔工况下，脱硫洗涤塔中的浆液需要排空，此时测得洗涤塔的主频率为0.739 3 Hz。通过两者的主频率对比可以发现105 t浆液的质量对结构的频率略有影响，但影响很小。在设计石化行业高耸设备调质阻尼器时也应该充分考虑到设备的投用和停用时的变化。

(2)地震 通过建立有限元模型，采用5条不同的地震波(人工波、Bonds波、Sanfer波、Sanfer-t波、Takochi-oki波)进行模拟，将每条地震波的最大加速度调整为0.55 m/s2。由于每条地震波时长不同，脱硫洗涤塔的反应曲线长度也不同，在40～70 s[11]。Takochi-oki地震波作用下脱硫洗涤塔的响应最大位移为0.098 m。

(3)风载荷 基于开停工况的分析结果和脱硫洗涤塔的结构参数，将脱硫洗涤塔分成13段，根据每段的长度、质量、横截面等参数建立了用于风载荷计算的简化模型。简化模型用来计算用于风载荷动力分析的模态参数。通过建立的简化模型和公式计算得到横向共振临界风荷载下的最大位移为0.35 m。

3.2.2 调质阻尼器设计计算

调质阻尼器外形图见图2。有限元模型计算中

图2 调质阻尼器外形图

采用谐波激励模拟横向风荷载(漩涡脱落)。选取有效质量为3 500 kg的调质阻尼器安装在洗涤塔标高113 m的位置，调质阻尼器的频率为0.71 Hz，阻尼比为12%。

通过模拟有无调质阻尼器情况下谐波激励触发稳态响应，振幅由350 mm减小为19 mm。对所有载荷工况下调质阻尼器的行程进行分析得出Takochi-oki载荷工况下调质阻尼器的最大行程为96 mm。释放调质阻尼器系统后，脱硫洗涤塔在横向风载荷作用下的振幅由350 mm减到19 mm，调质阻尼器的行程是72 mm。在一些地震作用工况中调质阻尼器的行程会更大，甚至达到96 mm，将该行程作为调质阻尼器的最大设计行程。而对横向风载荷作用，按72 mm来设计调质阻尼器的工作行程[12]。

3.3 应用效果

对调质阻尼器的应用效果进行测试。首先将调质阻尼器锁死，使其处于非工作状态，在脱硫洗涤塔上沿顺风向及横风向(顺风向正交方向)布置2个水平向测点，测试脱硫洗涤塔的一阶固有频率[13]。为保证测试数据的准确，每次的测试时间取500 s，测得脱硫洗涤塔的一阶固有频率为0.72 Hz和0.73 Hz[14]。脱硫洗涤塔的实际固有频率与理论计算的频率(0.75 Hz)基本一致。

在调质阻尼器上已经安装了12个调频弹簧，此时的调质阻尼器频率为0.85 Hz，安装了3个调频弹簧的调质阻尼器频率为0.70 Hz，对称减少弹簧个数将调质阻尼器的频率调整至脱硫洗涤塔的一阶固有频率。释放调质阻尼器系统，在脱硫洗涤塔及调质阻尼器质量块上沿顺风向及其正交方向(横风向)分别布置水平向测点，使调质阻尼器处于工作状态，在类似的风力条件下记录脱硫洗涤塔的水平振动数据[15]。

采集脱硫洗涤塔振动加速度响应，对比分析调质阻尼器锁死与释放时，脱硫洗涤塔振动加速度响应及阻尼特性。调质阻尼器锁死条件下与释放条件下脱硫洗涤塔顺风向测点振动加速度时程分别见图3和图4，调质阻尼器锁死条件下与释放条件下脱硫洗涤塔顺风向测点振动加速度频谱见图5。

分析图3～图5可以得出，调质阻尼器锁死与释放时，脱硫洗涤塔顺风向测点在500 s内的振动加速度峰值分别为0.007 283 m/s2和0.002 618 m/s2。按照振动加速度峰值计算的调质阻尼器减振效率为64.1%。调质阻尼器释放后，脱硫洗涤塔结构阻尼比提高至3.66%。调质阻尼器锁死与释放条件下脱硫洗涤塔横风向测点振动加速度时程见图6和图7，

图3 调质阻尼器锁死条件下脱硫洗涤塔顺风向测点振动加速度时程

图4 调质阻尼器释放条件下脱硫洗涤塔顺风向测点振动加速度时程

图6 调质阻尼器锁死条件下脱硫洗涤塔横风向测点振动加速度时程

图7 调质阻尼器释放条件下脱硫洗涤塔横风向测点振动加速度时程

调质阻尼器锁死与释放条件下脱硫洗涤塔横风向测点振动加速度频谱见图8。

分析图6～图8可以得出，调质阻尼器锁死与释放时，横风向脱硫洗涤塔在500 s内振动加速度峰值分别为0.009 812 m/s2和0.002 360 m/s2。按振动加速度峰值计算的调质阻尼器减振效率为76.5%。调质阻尼器释放后，脱硫洗涤塔结构阻尼比提高至3.51%。

图8 调质阻尼器锁死与释放条件下脱硫洗涤塔横风向测点振动加速度频谱

4 结语

中海油惠州石化有限公司4.8 Mt /a催化裂化装置烟气脱硫洗涤塔采用调质阻尼器作为高耸结构风振控制措施，将脱硫洗涤塔振动传递至调质阻尼器，在调质阻尼器的阻尼作用下，振动快速衰减。应用表明，调质阻尼器对脱硫洗涤塔投用或者停用2种状态均具有较好的抗风振效果，尤其是在对容易引起涡街振动的横风向振动，调质阻尼器减振效率能够达到76.5%，阻尼效果甚佳。安装在塔顶的调质阻尼器具有在主体设备一个生产周期内免维护的特点，且能够保障主体设备在运行工况和空塔工况期间均具有良好的抗风振能力。此案例为调质阻尼器在国内石化行业钢制高耸结构风振控制中的首次应用，可为类似工程应用提供有效的参考经验。