細高塔的共振分析與防振措施

杜 栓

(寧波弘訊工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315040)

風載荷、地震載荷以及風誘發振動是塔器設計必須考慮的重要載荷和工況，NB/T 47041《塔式容器》要求，當H/D>15，且H>30m 時，除考慮順風向風載荷外，還應考慮橫風向風振，并進行共振判別[1]。但按設計參數正確輸入且計算合格的塔，在塔安裝或操作運行過程中，塔體共振仍時有發生，影響塔的運行安全。

塔體越高或高徑比越大，風載荷的影響就越大，在一定條件下極易發生共振。如1995 年，在刮 5～6 級風時，某維尼綸廠高60 m的鋼煙囪，沿與風垂直的方向劇烈振動；2002 年，某烷基苯裝置高 80 m的鋼煙囪，吊裝完畢后的空煙囪在風力約6 級時發生劇烈振動，振動方向與風向垂直，煙囪頂部的振幅最大時達450mm；2008 年，某脫甲烷塔尚未投產就發生了誘導振動，并導致設備多處嚴重開裂；2009 年，某乙烯塔，在刮 5～6 級風時，發生大幅度擺動，并伴隨很大的聲音[2]。

因此，對細高塔進行共振分析和采取防振措施是非常有必要的。

1 細高塔的共振實例

2016年9月，某環氧乙烷塔在操作運行過程中發生大幅度擺動，共振時塔的擺動實況見圖1，共振時的風速為4.5m/s，共振振幅約30mm，在有風季節均有不同振幅的擺動。2017年3月，經檢測裙座筒體與下封頭焊接的環焊縫融合處發現，西北方向裂紋長度約2.5m，其中貫穿性裂紋長度約2m；東南方向裂紋長度約2.8 m，裂紋深度 5～17mm。塔體頂部沒有擾流裝置。

乙烷塔發生共振后，對該塔進行了復核計算，并對發生共振的原因及危害進行了分析，提出了修復方案。

(1)設計參數。設計壓力為0.5/-0.1MPa(g)，設計溫度為175℃，塔內為易爆、高危險的環氧乙烷，內有填料和多層塔盤，保溫層厚度為100 mm，塔體直徑D=3 400mm，裙座底端直徑D=5 400mm，裙座高度為9 700 mm，塔體總高度H≈81m，環氧乙烷外形見圖2。裙座筒體為 22 mm的 Q345R，筒體從下到上依次為 3mm+22mm、3mm+20mm、3mm+18mm、3mm+16mm 的S30403+Q345R，裙座殼與塔殼對接且焊縫高度為75 mm，基本風壓值(10 m 高度處)為620N/m2，抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組第三組，場地土類別Ⅳ類，地面粗糙度類別 B 類。

(2)計算復核。計算過程中嚴格按照設計參數輸入，在操作狀態下產生的一階共振風速≈ 4.5m/s，二階共振風速≈29 m/s，設計風速≈44 m/s，塔頂最大撓度≈280，各截面筒體計算合格。通過計算結果可見，應考慮第一振型和第二振型的振動，塔頂撓度符合SH/T 3098《石油化工塔器設計規范》中YD≤H/200=405 mm的要求。

(3)共振原因分析：①計算結果有漏項，計算書中有操作工況和耐壓試驗工況的計算，缺少安裝工況的計算；②設計者沒有采取必有的防振措施，雖然SW6計算書上各截面筒體計算合格，塔頂撓度值也滿足標準規范要求，基于設計風速大于第二臨界風速的計算結果，在條件具備時共振就會發生，設計者應采取必要的防振措施。而該塔塔頂沒有設置擾流裝置，也沒有對危險截面進行加強處理，也未對局部危險位置進行疲勞分析，未提出“塔體應與管線、梯子平臺同時安裝”的具體要求；③制造有缺陷，裙座筒體與下封頭的焊縫高度沒有達到設計要求，且未與封頭圓滑過渡；④減振措施采取不及時，該塔除發生較大振幅的擺動外，在有風季節還會有不同振幅的擺動，連續多天共振將造成對塔體焊縫和本體的疲勞影響，使塔體焊縫大范圍開裂。

(4)發生共振的危害：①塔盤傾斜，氣液傳質不均勻，導致塔板效率下降，影響產品質量；②與塔體連接的接管，因塔的擺動過大，連接處受到拉、壓、彎、扭的綜合作用，易出現泄漏；③塔頂撓度大，會產生較大的附加偏心彎矩，影響設備的使用壽命；④梯子平臺上檢維修人員不安全[3]。

(5)緊急修復方案：①在實施裂紋修復前，應根據檢測結果，在裂紋尖端鉆圓孔止裂，避免裂紋擴大；②開裂處筒節進行加固處理，如焊軸向筋板；③按 GB 150.1～150.4《壓力容器》進行裂紋修復；④裂紋修復完好后，應實時監控外側裂紋的產生及擴展情況，發現新生裂紋要及時修復；⑤同時監測裙座螺栓座、裙座最大開孔處的殼體截面、裙座上部及筒體下端的縱環焊縫、塔下封頭切線所在截面等危險截面是否發生損壞。

(6)長久運行修復方案：①優化下封頭與裙座筒體的連接焊縫結構，保證焊縫高度、氬弧焊打底確保全焊透，打磨焊縫圓滑過渡，對該環焊縫進行無損檢測，使其達到標準要求，對該環焊縫進行加強處理；②塔頂增設擾流設施或設置塔架。

2 細高塔的共振分析與防振措施

通過上述事例可知，計算合格的塔器也會發生共振，連續共振多天會對塔體焊縫和本體產生疲勞損壞，進而導致塔體焊縫開裂，影響塔的運行安全，在塔的設計、制造、安裝、運行中必須引起重視。

特別是塔設計壓力較低時(包括內壓或外壓)，風載荷和地震載荷就成為了塔器安全的主要載荷，由于風載荷和地震載荷計算都是動力計算，塔體的承受能力不僅與自身的幾何尺寸有關，且與自身的動力特征相關聯，使塔體產生加速度，引起慣性力，并產生隨時間變化的變形和動應力[4，5]。

對承受動力載荷的線性結構體系，其主要的物理特性包括體系質量、彈性特征、能力耗散、阻尼、外部擾力或載荷。NB/T 47041《塔式容器》中的質量、自振周期、地震載荷、風載荷、彎矩、塔頂撓度等，在計算中涉及到一些基礎數據、設計參數以及經驗值參數等。其中，基礎數據包括10 m 高度處基本風壓值、抗震設防烈度、設計基本地震加速度、設計地震分組、場地土類別、地面粗糙度等；設計參數包括壓力、溫度、直徑、高度、介質密度、保溫層的密度和厚度、偏心載荷、集中質量、操作平臺等；經驗值參數包括阻尼系數、脈動增大系數、風壓高度變化系數、振型系數等[5，6]。

2.1 保證設計參數輸入的精確性

細高塔的共振計算中涉及到基本風壓值、基本雪壓、抗震地震烈度、設計基本地震加速度、設計地震分組、地面粗糙度類別、場地土類別、空塔阻尼比、操作工況下塔阻尼比等數據，需要保證設計參數輸入的精確性，塔器計算才是精確可靠的。

2.2 重視安裝工況的塔器計算

安裝過程中塔內壓力為常壓，塔內溫度為常溫，承受100%風載或 25%風載+100%地震載荷，兩者所產生的彎矩取大值時塔體質量最小。可拆塔內件、保溫層、平臺梯子、填料等可能還未安裝，沒有操作介質。

塔器的安裝工況如下：①因沒有操作介質、可拆塔內件和梯子平臺等，塔體質量最小；②因沒有安裝保溫層等，塔器的平均直徑D最小，則H/D最大；③沒有安裝梯子平臺、填料等，阻尼系數小；④沒有與其他設備或管廊相連，塔器的振動不受限制；⑤承受 100%風載或 25%風載+100%地震載荷，兩者所產生的彎矩取大值。因此，塔在安裝過程中更易發生誘導振動，應重視安裝工況的塔器計算。

塔內物料、塔周圍的建筑群都會影響該塔的阻尼比，阻尼比應根據實測值確定。NB/T 47041《塔式容器》上只給出了一階振型阻尼比可取0.01～0.03，高階振型阻尼比可參照第一振型阻尼比選取，沒有指明安裝、操作、耐壓試驗工況阻尼比如何取值。NB/T 47041《塔式容器》標準釋義與算例中指出，國內外都有些塔器的阻尼比的實測數據，但這些數據比較分散，塔式容器的阻尼比小于標準設計反應譜所采用的0.05，推薦阻尼比為0.01。某大學測得空塔阻尼比與操作工況下塔阻尼比小很多。雷諾數與塔的阻尼比有關，不能通過計算雷諾數的方法在設計階段判定共振的發生振幅。阻尼比的取值對塔器共振判別影響很大，空塔阻尼比的取值更是給設計者造成了困擾。

2.3 優化結構設計

2.3.1 塔頂設置擾流裝置

降低塔高，增加塔的直徑是工藝操作所不允許的；通過增加殼體厚度來提高塔器的抗振能力是非常有限的，也是不經濟的；采用密度小、彈性模量大的材料不僅不經濟，也不可能通過增加塔內液體、填料、梯子平臺等來增加塔的阻尼。

裝有軸向翅片的塔設備，共振時的振幅將減少1/2 左右，螺旋形翅片比軸向翅片的效果更好[1]。

可見，對細高塔而言，最經濟與最有效的防振措施乃是在塔頂設置擾流裝置。

2.3.2 優化裙座筒體與下封頭連接的環焊縫

對于錐形裙座的細高塔而言，因裙座筒體與下封頭連接的環環焊縫存在如下情況：①截面積最小，所受的組合應力較大；②共振引發裂紋的起點離該環焊縫較近；③環焊縫熔合區易存在檢測到的焊接缺陷。

應優化裙座筒體與下封頭連接的環焊縫：①保證焊縫高度、氬弧焊打底確保全焊透、焊縫表面打磨光滑，并與下封頭外表面圓滑過渡；②提高裙座筒體的對接接頭施焊要求與本體相同，并應按 NB/T 47013 進行100%UT 檢測Ⅰ級合格，100%MT檢測Ⅰ級合格；③有必要時，對該環焊縫進行加強處理，如設置軸向加強筋板。

2.4 不推薦裸塔狀態豎立

塔安裝就位后，不推薦裸塔狀態豎立，應將塔平臺、梯子及與塔相連接的主要管線與塔同期安裝就位。

2.5 監測塔器的運行

塔器運行過程中應加強監測，發生大振幅共振或小振幅擺動頻繁時，應盡早采取必要的防振措施，如增設擾流設施、拉纖、阻尼器等，避免共振對塔體焊縫和本體產生疲勞影響，而使事態進一步惡化。

3 結語

對于細高塔而言，為防止共振，建議：①保證計算輸入參數的精確性；②塔器計算時應全面考慮安裝、操作、壓力試驗等各種工況；③優化結構設計，塔頂宜設置擾流設施，裙座筒體與下封頭連接的環焊縫應確保全焊透并圓滑過渡；④塔安裝就位后，不推薦裸塔狀態豎立；⑤塔體發生大振幅共振或小振幅擺動頻繁時，應加強監測并采取必要的防振措施。

從設計、制造、安裝、操作等多方面，防止塔器由于共振對設備造成的損壞。

同時，建議加大對塔器阻尼比的實測和研究力度，并在標準規范中給出塔器空塔、操作、耐壓試驗工況下阻尼比推薦值。