65m高鋼制排氣筒消除橫風向風振分析

王志雅

(上海互聯環保工程技術中心，上?！?00086)

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65m高鋼制排氣筒消除橫風向風振分析

王志雅

(上?；ヂ摥h保工程技術中心，上海200086)

摘要：報道65m高鋼制排氣筒發生以及消除橫風向風振的實例，對照有關標準對原設計進行分析，說明設計缺陷同發生橫風向風振存在因果關系，總結發生及消除橫風向風振的經驗教訓，為自立式鋼煙囪的建造提供一個可供參考的案例。

關鍵詞：排氣筒；自立式鋼煙囪；橫風向風振；破風圈

1概況

65m高鋼制排氣筒安裝于南京化工園區，屬于自立式鋼煙囪，其結構尺寸如圖1所示。排氣筒沒有保溫內襯，從上至下各段的材質和壁厚(尺寸單位為mm)見下表1。

由于可能有高溫氣體從排氣筒排放，排氣筒設計溫度定為350℃。排氣筒安裝地的設計基本風壓為400N/m2，環境空曠，周圍沒有影響風場的高大建筑物。

排氣筒于2012年10月完成安裝，至2013年5、6月當地進入每年的多風季節，每當地面風力持續達到4至5級時排氣筒多次出現有規則的大幅度晃動，單邊幅度達到220mm，晃動方向大致垂直于風向。上述現象具有高重現性。經現場觀察和視頻分析，判斷為典型的第一振型橫風向風振，為背風向交替發生的旋渦脫落(卡門渦街)造成排氣筒產生共振所致。橫風向旋渦脫落共振可能導致排氣筒結構破壞，進而危及所在區域人員和財產的安全。

業主單位于2013年7月3日召開處置方案研究會議，與會單位一致同意排氣筒設計制造商提出的在排氣筒上方內徑為2m的筒體外表面加裝螺旋破風圈的補救措施。按JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》標準釋義以及GB50051-2002《煙囪設計規范》，破風圈用200mm×6mm扁鋼預制成螺距為10米的螺旋形，焊接在排氣筒外表面，共有三道螺旋。排氣筒加裝破風圈的改造于當年8月完成。此后至今，雖然多次遇見持續大風天氣，排氣筒再未出現明顯的風振現象。

表1　結構尺寸表

圖1　65m排氣筒示意圖

2設計計算

由于排氣筒從形狀結構及承受風、地震等外力載荷的情形來看相似于鋼制塔式容器，設計者對鋼制塔式容器的設計比較熟悉，同時鋼制塔式容器的設計有較為成熟詳細的電算程序，故設計者選用全國化工設備設計技術中心站組織編制的SW6軟件進行強度計算，其中鋼制塔式容器的計算依據于JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》。對于復合鋼板的壁厚，輸入數據為碳鋼厚度，不包含不銹鋼的厚度。事實上，運用SW6進行排氣筒的設計計算，在各段筒體及裙座壁厚的校核、地震載荷及風載荷計算、地腳螺栓校核、橫風向風振的判斷等等方面，都具有相當的準確性，采用SW6進行排氣筒設計計算應該是不錯的選擇。

由SW6形成的排氣筒計算書顯示第一振型臨界風速為9.50m/s，設計風速為34.11m/s，提示排氣筒將會發生第一振型橫風向共振。按JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》規定，當有橫風向共振發生時，需要進行兩個方向風彎矩合成后的強度校核，SW6會自動進行校核計算并給出是否校核合格的結論。但標準并未規定是否需要進一步考慮其它形式的失效(如疲勞)，設計人員應根據工程經驗自行作出處理。排氣筒計算書雖然給出了校核合格的結果，但這僅指強度計算通過，并不表示可以排除其它形式破壞的可能，對于鋼結構，橫風向風振導致的破壞多數不是強度破壞，而可能是疲勞等其它形式的破壞。也許出于設計者的疏忽，竟認為至此排氣筒設計計算已經合格，沒有進一步判斷橫風向風振的后果并考慮預防風振的措施，以致于設備出現危及安全的風振問題后，不得不回過頭來采取加裝破風圈的補救措施。

排氣筒發生橫風向風振時業主曾經測得地面風速為6.5m/s，按此折算排氣筒頂部風速為8.8m/s，這與SW6計算書臨界風速(第一振型)為9.5m/s的結果比較接近。說明用SW6形成的排氣筒計算書判斷橫風向風振的發生是比較可靠的。

從排氣筒的用途和結構特點看，它其實就是自立式鋼煙囪，其設計應滿足國家標準GB50051-2002《煙囪設計規范》的相關規定。對于自立式鋼煙囪，GB50051-2002《煙囪設計規范》規定：

“當煙囪的臨界風速小于6～7m/s時，應設置破風圈。當煙囪的臨界風速為7～13.4m/s，且小于設計風速時，而用改變煙囪高度、直徑和增加厚度等措施不經濟時，也可設置破風圈。”計算書得出臨界風速(第一振型)為9.50m/s，處在7～13.4m/s范圍之內，而排氣筒的高度或者直徑不可能由設備設計改變，如果增加排氣筒壁厚顯然非常不經濟，此時只有選擇設置破風圈最為經濟可行。所以，對于本文所述的排氣筒理應在設計階段就設置破風圈，避免發生橫風向風振后再實施加裝破風圈改造，從而避免因發生橫風向風振造成的安全風險，以及因整改而發生的停產和額外施工的經濟損失。

關于減緩或防止橫風向風振的措施，JB/T4710-2005(標準釋義)同GB50051-2002有著完全一致的表述，都推薦了軸向翅片和螺旋形翅片兩種擾流器或稱破風圈，設置的位置也有相同的要求。對于軸向翅片的尺寸，兩標準的數據相近；對于螺旋形翅片的尺寸，兩標準的數據相同。此外，JB/T4710-2005是針對塔設備的結構特點來制訂的，就風振而言，排氣筒畢竟同塔器存在區別，例如塔器的內件以及操作物料對于塔體振動具有明顯的阻尼作用，而排氣筒則完全沒有這些因素，也就是說排氣筒更容易發生橫風向風振，一旦發生其共振也會更劇烈。

3結語

高聳結構在風的作用下，不但順風向產生風振響應，而且橫風向必然產生旋渦脫落風振，當橫風向旋渦脫落頻率與結構某階自振頻率一致時結構產生極大的橫風向共振，如不注意結構將產生破壞，國內外已經有很多這類報導。本文報道的65m鋼制排氣筒(即自立式鋼煙囪)發生橫風向風振的實例，其設計同發生危及安全的橫風向風振存在因果關系，其后采取加裝螺旋破風圈的簡單改造措施，取得了良好的防振效果?？偨Y經驗教訓，為自立式鋼煙囪的建造，提供一個可供參考的案例。

參考文獻：

[1]JB/T4710-2005，鋼制塔式容器[S].

[2]GB50051-2002，煙囪設計規范[S].

[3]張相庭.橫風向旋渦脫落共振響應分極及在規范上的應用[J].建筑科學，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)

中圖分類號：TQ053.5

文獻標志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)01-0059-02

作者簡介：王志雅(1946-)，男，江蘇南京市人，高級工程師，長期在化工企業及設計院從事化工設備及壓力容器設計工作，近年研究方向為煙氣脫硫等環保工程的設計及總承包管理。

收稿日期：2014-11-14