高耸塔器横风向共振失效的防范对策

夏少青

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

随着石油化工装置规模的大型化，高径比大的高耸塔器数量逐渐增多，塔器发生横风向共振的可能性大大增加。发生横风向共振时，塔器受到的横风向载荷远大于顺风向载荷。过大的横风向载荷将使塔器顶部振幅过大，影响塔器正常工艺操作，同时还会使塔器危险截面的应力数值过大，导致其可能由于强度不足而破坏。横风向共振导致高耸塔器失效的问题严重影响生产装置的正常运行及设备的安全性，因此必须高度重视。本文基于工程实践，本着安全可靠的原则以及经济性的考虑，对高耸塔器的设计、制造、安装等方面有针对性地提出了重点防范措施，防止高耸塔器因横风向共振失效，保证设备安全运行。

1 高耸塔器在安装阶段(尤其是裸塔)或检修阶段，应重点防范横风向共振

根据工程实际情况，部分高径比较大的自支承塔器发生横风向共振的情况统计见表1。

表1 部分高径比较大的自支承塔器发生横风向共振的情况统计

由表1可知，以往高耸塔器出现横风向共振和由共振引起的失效，很多都发生在安装阶段(尤其是裸塔)或检修阶段，如内蒙古某化工装置、上海某石化装置和新疆某炼化装置等。

高耸塔器在安装阶段容易发生横风向共振，主要原因有以下两个方面：

一是由于现场施工的原因，梯子、平台、附塔管线等塔设备的外部附件没有安装，而这些外部附件有扰乱卡门涡街的作用，可以阻碍卡门涡街的形成。通过合理布置这些附件，可起到较好的防振、减振效果。

二是塔器在安装阶段没有安装塔盘或填料。塔盘上的液体或填料是有效的阻尼物，其内部液体的液面晃动具有阻尼作用。

针对高耸塔器在安装阶段容易发生横风向共振的问题，应采取相应措施，尽量避免其发生。

建议对安装阶段的高耸塔器(H/D>15且H>30 m，文中所有符号均按文献【4】中的定义，下同)提出如下要求：

1)设计时，应对裸塔(即无保温、无平台梯子、无管道连接、无介质的塔器)进行横风向共振计算。如经过振动计算和分析，塔器会发生横风向共振，且振幅与所受的载荷超过标准规定的允许值，则应采取措施防止共振的发生或者减小共振的振幅。

2)塔器安装时，平台、梯子、绝热材料及附塔管线应与塔体同期吊装就位，同时要尽快安装填料和塔盘等内件，利用这些附件达到较好的防振、减振效果，降低设备发生共振的可能性。

2 设计和制造阶段，应重点关注塔器危险截面

引起塔器失效的最危险截面为塔体下封头与裙座连接处焊接接头及塔体变径段与筒体焊接接头处，上述截面承受较大的风弯矩，其焊缝质量是否可靠将直接关系到细高塔能否安全运行。

表1中上海某石化装置、福建某乙烯装置以及文献【3】中提到的塔器失效表明，焊缝中的原始缺陷在风载荷作用下可引起疲劳裂纹扩展，风振或风诱发振动则可能导致疲劳破坏。严格控制焊缝的焊接质量成为塔器抗风振的有效手段。

对于H/D>15且H>30 m的高耸塔器，应当有针对性地提高危险截面处材料和结构的要求，加强焊接、无损检测的要求，并将相关要求作为抗横风向共振失效的重点防范措施。建议采取如下相关措施：

1) 材料和设计

a) 与塔体下封头相连接的裙座壳过渡段的材料应与下封头相同。

b) 裙座与塔体的焊接接头型式宜采用文献【4】中图2 a)右侧节点型式(如图1所示)，同时适当提高对接焊缝高度，焊接接头的几何尺寸应在图面上有明确的要求。

图1 裙座与塔体的焊接接头型式

c) 塔体上的变径段宜采用带折边锥壳结构；当采用无折边结构时，焊缝表面应圆滑过渡。

2) 焊接和检测

a) 裙座筒体及其与下封头的连接焊缝，均应按受压元件的焊缝要求施焊；焊前的焊接工艺评定应按NB/T 47014—2011进行，且应由考核合格的焊接压力容器的焊工施焊。

b) 裙座与塔体下封头相连接的焊接接头应采用氩弧焊打底，保证全焊透；焊缝表面应打磨光滑，并与下封头外表面圆滑过渡。

c) 裙座筒体与塔体下封头的焊接接头，应按NB/T 47013—2015进行100%磁粉(MT)或渗透(PT)检测，Ⅰ级合格，外加 20%超声检测(UT)，Ⅱ级合格。

d) 塔体的变径段与圆筒体的焊接接头进行100%射线检测(RT)或100%UT，当采用无折边结构时，还应增加100% MT或PT检测，合格级别为RT或UT同设备要求，MT或PT为Ⅰ级。

通过采取上述措施，可保证危险截面处的焊缝质量，确保高耸塔器能够安全运行。

表1中上海某石化装置和福建某乙烯装置的7台塔器的后期修复中采取了上述类似措施。武汉某石化装置和燕山某石化装置中的10余台高长径比塔器，除在前期与上游专业沟通适当减小高径比外，在设计和制造阶段也采取了上述措施，避免了横风向振动引起的失效。

3 关于扰流装置的设置

梯子、平台和外部扰流件都能起到扰乱卡门涡街的作用。在塔上部1/3塔高的范围内安装轴向翅片或螺旋形翅片的扰流器，可缓解或防止塔的共振。

外部扰流器能起到很好的防振作用，装有轴向翅片扰流器的塔设备，共振时振幅可减小1/2左右，而螺旋形翅片比轴向翅片的效果更好。但塔设备通常有外保温层，且安装有较多的附件，如梯子、平台、管线等，设置扰流装置受到空间的限制，实施难度较大。所以从表1可看出，大部分塔器没有设置扰流装置。

扰流器作为一种有效的预防横风向振动的措施，设计中既要合理利用，又要避免过度使用给制造、施工带来困难。建议宜在H/D>25且H>55 m时设置扰流器，且采用文献【5】中图SY4-18 b)所示的螺旋形翅片式扰流器。

H/D>25且H>55 m这一范围是根据工程实践及相关统计的结果提出的，这样可避免过度采用扰流器。

发生了横风向振动的塔器，首先应对塔器进行振动分析，如果塔器不发生共振，或虽发生共振，但塔的振幅与所受的载荷均未超过规定的界限，则无需采取进一步的防振措施，如设置扰流器等。

表1中有6台塔器发生了横风向振动，通过核算，确定无失效风险，均未采取任何措施。此外，表1中还有10多台塔器未曾有发生横风向振动或破坏的记录。

4 焊缝高度对疲劳寿命的影响

焊缝高度对裙座与下封头间的对接焊缝疲劳寿命有一定影响。

文献【6】考虑应力集中系数对风致疲劳寿命的影响，在危险截面处(即裙座与下封头对接焊缝处)设计了45与30 mm 两种焊脚高度，并利用有限元法求得对应的危险点应力集中系数k分别为3.393与5.009。上述结果表明，应力集中情况较轻微时，其疲劳寿命显著增加。焊缝高度较小时，裙座与下封头连接处出现几何结构的不连续，应力集中比较明显，存在很大的峰值应力，较大的峰值应力可能导致疲劳裂纹，故应适当提高裙座与塔体的对接焊缝高度，增大其疲劳寿命。

可采取如下措施：

1) 对于大高径比塔器(H/D>15且H>30 m)，裙座与塔体的焊接接头型式宜采用文献【4】中图2 a)右侧节点型式(如图1所示)，同时适当提高对接焊缝高度，焊接接头的几何尺寸应在图面上有明确的要求。

2) 提高塔体下封头与裙座对接焊缝高度，减缓几何结构的不连续，从而缓解应力集中情况，提高疲劳寿命。

3) 必要时，应对裙座与下封头对接焊缝进行疲劳计算和分析，以判定塔器在共振时的安全性。

5 结语

综上所述，高耸塔器因风而引起的共振是工程设计中不可避免的问题，无论是前期的设计阶段还是中间过程的制造环节，直到安装施工，都要采取措施来保证塔器安全。实际上，最经济与最有效的防振措施是在设计阶段认真地对塔设备进行振动分析，根据分析结果，采取相应的防振措施。如果塔器不发生共振，或虽发生共振，但塔的振幅与所受的载荷均未超过规定的界限，则无需采取进一步的防振措施。