碳四装置塔器风诱导共振原因分析与对策

宋全祝

（中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京市东城区，100011）

由神华集团公司投资建设的某煤化工项目，为进一步提高副产品碳四的综合利用价值，于2011年初开工建设神华某碳四装置，到2012年5月完成管道安装。在装置 “三查四定”期间，发现脱除塔 （T-1402）和精馏塔 （T-1403）风振剧烈。6月4日进行氮气试压时，发现精馏塔顶法兰泄露，初步判断此处泄露与塔器的挠度超标有关。碳四装置现场情况详见图1，图中最高的两台设备为脱除塔和精馏塔。

1 两台塔设计参数

脱除塔和精馏塔按照 《固定式压力容器安全技术监察规程》 （TSGR0004-2009）、 《钢制压力容器》（GB150-1998）、《钢制塔式容器》（JB／T4710-2005）进行设计和制造，其设计参数详见表1。

图1 碳四装置现场照片

表1 脱除塔和精馏塔设计参数

脱除塔和精馏塔为独立布置，设备间距为12000mm。这两台设备由上海某工程公司设计，江苏某压力容器制造厂制造。

2 风振原因分析

塔器设备是直立的高耸结构，风载荷是一种经常作用的重要载荷。风载荷对塔器的作用有两项，在顺风向承受风力作用时产生与风向相同的振动；在垂直于风向方向，由于受到风力作用而产生横向振动，其振动轨迹是一个椭圆形的轨道。横风向振动，也称诱导振动，其对设备的危害性比顺风向振动更大。

一个细长的塔器设备可看为圆柱体在速度为V的风中伫立，在圆截面上作用着两个力，即顺风向的阻力和垂直方向的侧向力。侧向力的产生是由于风在吹向圆柱体时，平行的气流受到干扰，在圆柱体背后两侧周期性交替形成旋涡，从塔体有规律地脱落形成涡街被称为卡曼涡街。旋涡脱落时，会产生垂直于风向的侧向力，因而侧向力也是周期性交替地作用在塔体上，使得塔体产生垂直于风向的横向振动 （又称风的诱导振动）。横向力作用频率（即旋涡的脱落频率）一旦与塔器的自振频率相近或相等时，塔器将会发生共振。共振时塔器将产生很大的振幅和内力，其内力值将数倍于顺风向振动所产生的内力值，这是非常危险的。

在国内，塔器发生诱导共振的事例已多次出现。例如：天津乙烯生产装置中的关键设备乙烯精馏塔，高74.537m，内径2.45m，系从西班牙进口。1994年6 月下旬，已处于安装阶段的后期，只待装入全部塔板，便可准备试运行。但在6 月23～24日下午遇到3～4级阵风，塔体发生剧烈的振动，持续时间长达3h，塔振动方向与风向垂直。用仪器测量塔顶振幅，沿风向的为15 mm，而垂直于风向的为325 mm，为前者的21.75 倍。振动频率约为0.4 Hz，接近于塔的自振频率。分析表明这起事故是卡曼旋涡诱发的振动。又如：2008年，国内另一乙烯装置脱甲烷塔 （直径为2600mm／3600mm，高77700mm，尚未投产就发生了风诱导振动，并导致设备多处严重开裂。

因此，在塔器设计时，必须进行风诱导振动校验，使塔器的强度和疲劳寿命能满足风诱导振动的要求。

旋涡的形成和脱落，与流体 （空气）流动时的雷诺数 （Re）有关。当雷诺数 （Re）＜5时为无分离流动阶段；5～15≤Re＜40时尾流中出现一对稳定的旋涡；40≤Re＜90时及90≤Re＜150时涡道呈层流的两个阶段；150≤Re＜300时为过渡阶段，旋涡脱落很不规则；300≤Re＜3×105范围内旋涡脱落重新变得规律和呈周期性；3×105≤Re＜3.5×106 时卡曼涡街消失；Re＞3.5×106时卡曼涡街重新出现。所以工程上划分3个临界区域：亚临界区、过渡区和超临界区。亚临界区通常取300≤Re＜3×105，过渡区为3×105≤Re＜3.5×106，而超临界区为Re≥3.5×106。

由于诱导振动机理比较复杂，国内开展这方面的研究也不过十余年，直到近几年，诱导振动的问题才逐渐成为关注的重点。国内塔器设计标准——JB／T4710-2005 《钢制塔式容器》以前的版本及相关标准均未对诱导振动的计算及控制方法做出规定，因此，绝大多数塔器设备设计均未考虑诱导振动问题。JB 4710-2005发布后，虽然增加了附录A “横风向的风力和风弯矩计算”，提出了高度（H）大于30m、高径比H／D 大于15的塔器在共振时横风力的计算方法，目前通用的塔器计算软件SW6，虽然据此增加了横风力计算的功能，但还不能称其为完整的振动分析，计算书中甚至还没有给出明确的提示和结论。

脱除塔设备总高为78779mm，远大于30 m，高度和直径之比39.39，远大于15；精馏塔总高为80370mm，远大于30m，高度和直径之比33.49，远大于15。按照 《钢制塔式容器》 （JB／T4710-2005）附录A “横风向的风力和风弯矩计算”的要求，需要计算塔器共振时横风力和风弯矩。采用SW6对脱除塔和精馏塔诱导振动的部分计算结果详见表2。

表2 脱除塔和精馏塔横诱导振动的部分计算结果

从表2可以看出，脱除塔 （T-1402）雷诺数（Re）为6.39×106，大于3.5×106，属于超临界区，由于设计风速 （v）为42.41 m／s，当风速接近第一阵型临界风速 （VC1）为2.63m／s时，塔器会发生风诱导共振；风速超过2.63m／s时，塔器风振将会减弱；当风速接近第二阵型临界风速（VC2）为13.54m／s时，塔器会再次发生风诱导共振；风速超过13.54m／s时，塔器风振再次减弱。

精馏塔 （T-1403）雷诺数 （Re）为7.60×106，大于3.5×106，属于超临界区，由于设计风速 （v）为42.56 m／s，当风速接近第一阵型临界风速 （VC1）为3.21m／s时，塔器会发生风诱导共振；风速超过3.21m／s时，塔器风振将减弱；当风速接近第二阵型临界风速 （VC2）为17.31 m／s时，塔器会再次发生风诱导共振；风速超过17.31 m／s时，塔器风振将减弱。

当风速在2.63～17.31m／s范围变化时，随时有可能引起脱除塔和精馏塔发生风诱导共振，而设计院在设计上未采取任何的防振措施。第一、二、三阶阵型曲线图详见图2。

图2 第一、二、三阶阵型曲线

3 两塔防振措施

为了减少风诱导共振对直立的高耸结构设备的影响，根据有关文献详细分析，塔器设备可采取以下几种防振措施。

3.1 增大塔的自振周期

增加塔的直径，降低塔高都可增大塔的自振周期，但必须与工艺操作条件结合起来一同考虑；加大壁厚或采用密度小、弹性模量大的结构材料也可增大塔的自振周期；如果条件许可，在相应于塔的第二振型曲线节点位置处加设一个铰支座，可以有效达到增大自振周期的目的。由于脱除塔 （T-1402）和精馏塔 （T-1403）已经完成制造和安装，增加塔的直径，降低塔高或改变设备的材料都是不现实。

3.2 增加塔的阻尼

增加塔的阻尼对抑制塔的振动起很大的作用。塔盘上的液体或填料都是有效的阻尼物。有的研究表明，塔盘上的液体可以将减少振幅10%。脱除塔 （T-1402）和精馏塔 （T-1403）发生风诱导共振时设备还未投入使用。当这两台塔器投料后，塔的阻尼系数将增大，改变其自振周期，其风振会减小。

图3 轴向翅片扰流板示意图

3.3 采用扰流装置

实践证明，塔器设备上的平台、梯子和外部设置扰流装置都能起到扰乱卡曼旋涡的作用。一般扰流装置采用两种形式，一种是轴向翅片扰流板，另外一种是螺旋扰流板。

（1）轴向翅片扰流板。

为了防止或减缓塔的振动，参照国内外工程建设经验，可在塔顶上部占塔高1／3 的范围内设置轴向翅片扰流板，详见图3，翅片长度 （L）为塔直径 （D）的0.75～0.9 倍。翅片宽度 （b）为塔直径 （D）的0.09倍。同一圆周上的翅片数为4，相互间的夹角为90°。相邻圆周上的翅片彼此错开30°角。装上轴向翅片的直立设备，振动时产生的振幅，预期为无翅片时的1／3。

（2）螺旋扰流板。

一般布置在圆柱形设备上部总高1／3 的范围内加设螺旋扰流板，其结构形式详见图4。翅片呈螺旋形，头数一般为3，相互间错开120°。螺距（L）为直径 （D）的5 倍，翅片宽度为直径 （D）的0.1倍。螺旋扰流板比轴向翅片扰流板防振效果更好。

为了确保脱除塔和精馏塔设计的安全可靠，实现两塔设备安全稳定运行，本项目于2012年7月23日在北京组织召开 “两塔风振问题专家评审会”。本次评审会特别邀请了3位国内知名的压力容器专家参加。专家组首先听取了有关项目总体情况介绍，以及设计单位对脱除塔和精馏塔设计情况的介绍。专家们对脱除塔和精馏塔发生风振原因、防振措施进行了认真地讨论，最终形成并签署了专家意见。专家建议从塔顶向下35m 加设螺旋扰流板，考虑今后可根据需要再增设一些扰流板，建议一次性设置扰流板支架于塔上部1／2范围。

设计院按照专家意见对脱除塔和精馏塔进行加设螺旋扰流板设计。脱除塔和精馏塔均按照从塔顶向下35m 加螺旋扰流板，均设置3头螺旋扰流板，相互间错开120°，并最终让江苏某压力容器制造厂负责对脱除塔和精馏塔加设螺旋扰流板进行现场施工。

4 防振实施效果

为了验证防振措施实施效果，本项目与中电投工程研究所检测评估中心合作，测定脱除塔和精馏塔加设螺旋扰流板前后的振动特性，包括一阶频率、阻尼比及振动位移，以便对防振效果做出评判。

图4 螺旋扰流板示意图

4.1 振动特性检测

脱除塔 （T-1402）和精馏塔 （T-1403）的振动特性需要检测识别，并分成三个工况检测：

工况1：加设塔器扰流器前有介质的工况；

工况2：加设塔器扰流器前空塔的工况；

工况3：增设扰流装置后的工况。

本次检测选取脱除塔 （T-1402）距离地面35.02m 平台作为该塔数据采样点，精馏塔 （T-1403）距离地面35.42 m 的平台为数据采样点，检测测点为选定的2个，如图5所示。在测点布置了1个水平向低频振动拾振器，分别采集在风载荷下塔的振动数据。

两塔振动数据采集时间段3 个，分别为2012年8月22日、2012年10月11日、2013年3月28日，对约定的3个工况进行振动检测。

低频振动拾振器的布置方向选择塔晃动最大的方向，数据采集频段选取0～12 Hz频段。在选定时段内测得的振动位移最大值见表3。

图5 两塔测点布置图

表3 测点最大振动位移

根据有限元模型的计算结果，在外界扰力作用下，两塔的顶部位移与检测点的最大位移比值，分别为4.39和4.43，根据塔的受激励后的振型计算在三种工况下的检测的时段，塔顶最大位移详见表4。

表4 风载荷下塔顶最大位移

对两塔在受风载荷下的振动数据做FFT 变换，得到塔的振动信号功率谱数据，通过与有限元模型计算结果对比，识别塔的一阶固有频率，利用半功率法计算固有频率对应的阻尼比。风载荷激励作用下的测得塔的一阶固有频率及对应的阻尼比详见表5。

4.2 检测结论

在3种工况下，检测计算得脱除塔的最大振动位移分别为0.57m、0.92m、0.0114m。增设螺旋扰流板后的工况 （工况3）后，脱除塔的最大振动位移分别是工况1和工况2的2%和1.2%；精馏塔的最大振动位移分别为0.49 m、1.02 m、0.0128 m。增设螺旋扰流板后的工况 （工况3）后，精馏塔的最大振动位移分别是工况1和工况2的2.6%和1.3%。增设扰流装置后，对于减少塔器的最大振幅效果明显。

表5 塔的一阶固有频率及阻尼比检测结果

5 结论

脱除塔和精馏塔未加扰流器前，有介质的工况最大振动位移较大，尤其在空塔工况振动最大，增设扰流器后最大振动位移明显减少，说明通过增加螺旋扰流板大大提高了塔在风作用下的等效阻尼，取得了比较好的效果。

诱导振动对塔器等直立设备的危害比顺风向振动更大，目前国内塔器设计标准—— 《钢制塔式容器》（JB／T4710-2005）附录A，作为振动分析的指导性标准，具有十分重要的作用，但目前设计院常用的SW6塔器计算软件还不能给出完整的振动判断结果。需要设计者根据SW6 塔器计算结果，进行进一步分析和判断，提出合理避免诱导振动的解决方案。

［1］ TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程 ［S］

［2］ GB150-2011，压力容器 ［S］

［3］ JB／T4710-2005，钢制塔式容器 ［S］

［4］ SH／T3098-2011，石油化工塔器设计规范 ［S］

［5］ 路秀林，王者相.化工设备全书—塔设备 ［M］.北京：化学工业出版社，2004