塔器的风诱导共振分析和预防设计方法研究

杨小林，朱永江

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一，其投资占整个工艺设备投资费用的比例较大。因此，塔设备的安全可靠性是影响工厂正常生产的重要因素，需重点关注。尤其是高径比较大的塔设备，从设计到安装，甚至于检修都应引起足够的重视。近年来，塔设备的高径比越来越大，出现的“共振”事故也屡见不鲜。由于空塔的系统阻尼比远低于操作时塔设备的，空塔更容易发生“共振”事故，且振幅更大、更加危险。本文旨在根据风诱导共振的机理分析塔器发生较大共振现象的必要条件，并结合防振措施，提出基于共振预防的塔器设计校核方法。

1 风诱导共振的机理

风横向流过圆柱形塔器时，会在塔背面的两侧交替产生旋涡，且在脱离后形成旋涡尾流的现象。由于Re(雷诺数)的不同，在横风力作用下的塔器，旋涡形成的情况也不同。当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时，在150

一般来说，若高径比较大的塔在设计风速以下(往往远低于设计风速)就发生有规律地“来回摆动”，且风速不改变，摆动不停止，则有很大可能发生了风诱导共振现象。

2 防振措施

根据风诱导共振的机理可知，塔器要发生有较大危害的共振现象，须同时具备以下4个条件：存在卡门涡街现象；设计风速高于(第一)临界风速；塔设备所在项目现场的风速接近或等于临界风速；共振振幅达到一定的危害值。根据文献[1]所述，共振摆动幅度较低时，允许的循环次数数值非常大，设备不会产生疲劳破坏。也就是说，若共振振幅较低且不影响设备工艺性能，即使发生共振也不会影响到设备运行的安全稳定性。

因此，根据塔器要发生有较大危害的共振的必要条件，塔设备的防振措施可有多种，本文主要介绍4种。

2.1 减小塔的自振周期

从下面的直径、厚度相等的塔式容器基本振型自振周期公式(1)以及临界风速公式(2)可以看出：塔的自振周期越小，临界风速越大。因此，只要适当地调整塔设备的高度、内径以及壁厚，就可以把临界风速调整到设计风速以上，从而避免共振的发生。但是，由于设备的工艺性和经济性要求，塔的高度、直径和壁厚的调整都有严格限制，塔的自振周期难以进行较大幅度调整，往往无法达到避免共振的目的。

(1)

(2)

2.2 采用扰流装置

由卡曼旋涡产生的原理可知，塔器上的梯子、平台、附塔管线和外部扰流件都能起到扰乱卡曼旋涡的作用，从而减缓或防止卡门涡街的形成。在塔上部1/3处的范围内，安装轴向翅片或螺旋形翅片的扰流器，可以有效地减缓或防止塔的共振。但是，翅片扰流装置一般在自立式钢烟囱中使用较多，而塔器由于梯子、平台以及管线等会极大地限制翅片的安装空间，故较少使用，往往作为已发生共振事故的补救措施。

2.3 增加塔的阻尼

阻尼的定义是使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用。当临界风速的风过后，塔的振动会慢慢消失，就是一种阻尼现象。引起系统(结构)阻尼的因素很多，主要有：①系统本身的材料阻尼；②周围介质对振动的阻尼；③节点、支座联接处的阻尼；④通过支座基础散失的能量；⑤结构的工艺性对振动的阻尼。

阻尼是衡量一个系统稳定性的重要指标。塔器在未安装内件、平台及管线之前可以看成一个系统。塔器本身、塔盘、工作介质、填料、平台以及相连的管线等可以整体看成一个系统。系统的阻尼越大，吸收振动能量的能力越强，振动的振幅越小，系统越稳定。通常阻尼比被用来表达系统(结构)阻尼的大小。根据下面横风向塔顶振幅公式(3)，可以看出：共振的塔顶振幅与塔器系统的阻尼比成反比，即阻尼比越小，振幅越大，反之亦然。

(3)

由于阻尼产生的因素很多，无法直接通过理论公式计算得到，只能通过实验的方法进行测定。而对于一个塔器系统来说，要得到准确的阻尼比很难。关于塔器系统的阻尼比，有文献给出参考值[3]：空塔为ζ=0.02/(2π)；操作中的塔为ζ=0.03/(2π)；有衬里的塔为ζ=0.05/(2π)；充满水的塔为ζ=0.07/(2π)。

从上可以看出：空塔的阻尼比最小，即发生共振时的振幅最大，危害最大；操作中塔的阻尼比空塔的阻尼大，共振的危害会有所降低；水等流体可以明显地提高塔器的阻尼。

增加塔的阻尼，除了调整塔器系统本身结构外，还可以通过安装风阻尼器(调谐质量阻尼器)来达到。风阻尼器的本质就是一套阻尼系统或称消能减振装置。目前，风阻尼器的应用领域主要集中在电视塔和超高层建筑，如广州电视塔、南京电视塔和台北101大厦等，在细高塔设备上的应用较少，但其对高耸塔的风致振动具有很好的控制效果。

2.4 合理规划塔器的安装和检修时间

塔设备所在项目现场的风速接近或等于临界风速，是发生共振的必要条件之一。而空塔的阻尼比操作中塔的阻尼小(从文献[1]提及的案例可以看出，有些情况下，空塔的阻尼远小于操作中塔的阻尼)，即空塔发生共振更加危险。因此，根据项目所在地的历年风速统计数据，可预测塔器所在地出现接近或等于临界风速的风的概率和可能时间，进而合理规划塔器的安装和检修时间，以避开具有接近或等于临界风速的风，避免发生较严重的共振事故。

3 基于共振预防的塔器设计方法

根据以上提及的防振措施，并结合NB/T47041—2014《塔式容器标准释义与算例》的算例5“横风向振动时塔的强度校核与疲劳寿命计算”，可以提出基于共振预防的塔器设计校核思路。

3.1 出现接近或等于临界风速的风概率较小时

当塔器所在地出现接近或等于临界风速的风的概率很小时(几乎不会出现)，操作工况下塔顶振幅只需满足限定值H/200即可(阻尼比取ζ≈0.01)，无需特别考虑共振发生时的疲劳强度。

3.2 出现接近或等于临界风速的风率较大时

当塔器所在地出现接近或等于临界风速的风的概率较大时，塔器的设计、安装和检修可以从以下几个方面来考虑。

(1)进行塔顶共振振幅的计算时，安装和检修工况下的阻尼比宜较保守地选取ζ=0.02/(2π)(即ζ≈0.003)。

(2)若塔器上设置的管口、平台以及直梯较多，则操作工况下的阻尼比可取ζ=0.01。

(3)操作、安装和检修工况下塔顶振幅应满足限定值H/200。

(4)控制安装和检修工况下塔顶振幅小于危害值，即保证共振振幅处于较低值，允许的循环次数数值非常大，设备不会产生疲劳破坏。而这部分的计算可以通过NB/T47041-2014《塔式容器标准释义与算例》的算例5中疲劳寿命计算方法或有限元分析来完成。

(5)若无法调整相关参数使得安装和检修工况下塔顶振幅小于危害值，则还需考虑以下措施来尽量减小共振的危害：①塔器的安装和检修工作应避开接近或等于临界风速的风的可能出现时间；②塔器现场安装时，平台及附塔管道应与塔器同期安装；③在塔高1/3处尽量多地布置沿塔轴向分布的附塔管道，管道方位可近似地按扰流片的安装方位进行布置，力求最大地破坏漩涡脱落频率；④可考虑与高径比小于10的塔器一起设置联合平台；⑤塔器与其他设备相连的管道应尽快安装，这些管道宜考虑在塔器外设置支点，有助于提高塔器系统的稳定性；⑥若安装和检修工况下，塔顶共振振幅非常大，且有很大概率发生或已发生具有危害性的共振事故时，可考虑安装扰流装置或阻尼器。

4 结语

NB/T47041-2014《塔式容器》中提出了“当H/D>15，且H>30 m时，应计算横风向风振动”，并给出了自支撑式塔式容器横风向共振时的塔顶振幅和风弯矩的计算方法，但其并未明确给出横风向风振校核合格的判断依据。虽然新版的SW6软件可填写检修工况下塔器的阻尼比，并计算了检修工况的塔顶共振振幅，但其也未给出明确的校核结果。因此，还需要设计人员根据共振的塔顶振幅和风弯矩自行评判风诱导共振计算是否合格。

本文根据风诱导共振的机理，总结了塔器要发生有较大危害的共振现象的4个必要条件，并据此分析了塔器的几个主要防振措施，提出了基于共振预防的塔器设计校核方法，以便为需考虑横风向风振动的塔器设计计算、安装和检修工作提供参考。