塔器设计中的横风向振动

雷明华

（安徽省化工设计院，安徽 合肥230009）

·化工设备与自动化·

塔器设计中的横风向振动

雷明华

（安徽省化工设计院，安徽 合肥230009）

塔器振动事故时有发生，从塔器设计者的角度出发，依据标准规范，结合工程实践，对塔器设计中碰到的横风向振动（诱导振动）提出了多种减振和防振措施。

塔器；横风向振动；诱导振动；减振；卡门涡街

近年来，塔器振动事故时有发生。塔器振动时，通过实际测量计算，塔顶振幅一般在0.2～0.8m，有时会达1m以上，同时现场还伴有很大响声；另外，振动会造成塔顶管线法兰泄漏，塔底裙座地脚螺栓松动，装置操作性能下降或无法正常运行，塔体产生疲劳裂纹，甚至造成塔体破坏等事故。

通常情况下，塔器在风载荷作用下的振动分两种情况：一种是顺风向振动，即塔器在风力的作用下，沿风向平行来回摆动；另一种是横风向振动，即诱导振动，塔器沿与风向垂直方向上的来回摆动。相比而言，诱导振动机理复杂，理论计算难免同实际情况存在偏差，且诱导振动对塔器的危害性更大一些。

塔器振动诱导因素较多，导致塔器设计之初，常常未能对风诱导振动的几率、危害性给予准确的评判并进行合理的控制，而只能等到发生诱导振动后才能考虑减振措施，但此时塔器周边现场的条件受限，又限制了许多原本切实可行的减振措施的实施。

因而，塔器设计人员应重视塔器的诱导振动，改进设计手段，完善设计计算，在设计阶段就将诱导振动控制在合理的范围内。

1 横风向振动（诱导振动）的产生机理和条件

卡门涡街（图1）是造成诱导振动的主要原因。卡门涡街交替脱落时会产生振动，并发出声响，这种声响是卡门涡街周期性脱落时引起的流体压强脉动所造成的声波，如日常生活中听到风吹电线的风鸣声就是涡街脱落引起的。如果涡街的交替脱落频率与物体的声学驻波频率相重合，还会出现共振。事实上，只要发生边界层脱离，就可能出现卡门涡街。因此，有些水下设备或者航空设备都须做成流线型，以避免卡门涡街的破坏作用。

图1 卡门涡街现象示意图

因此，风诱导塔器设备共振必须具备两个条件：①存在卡门涡街现象；②风诱导振动频率等于塔器振动的固有频率。

2 关于横风向振动（诱导振动）标准规范的要求

NB/T47041《塔式容器》中7.6.2条款明确要求在“当H/D＞15且H＞30m时，还应计算横风向风振”。

3 诱导共振的判定和塔体共振的计算

塔器诱导振动分析的重点是为了防止横风向共振，而卡门涡街漩涡脱落频率或漩涡脱落周期是判断塔器是否发生横风向共振的关键参数。当漩涡脱落频率与塔器的任一固有频率一致时，塔器将发生共振。若把发生共振时的风速定义为临界风速νcr，则此时具有如下关系：

塔器共振的频率f=塔器固有的频率=漩涡脱落的频率fs=漩涡产生的频率

漩涡脱落频率是指每秒钟从流动中脱落出的漩涡数，而它可以通过斯托罗哈数（Strouhal Number）表示出来，代号St。即：

式中：fs为漩涡脱落频率；D为塔体的外径，对不等直径的塔取加权平均值；ν为空气流速。

临界风速νcr与塔器的共振频率或周期有关，若塔器取第一振型的自振频率，则对应的是第一临界风速νcr1；若塔器取第二振型的自振频率，则对应的是第二临界风速νcr2。

因此：

临界风速可以用来判断塔器是否发生横向风振，倘若设计风速νD在下述条件下，则有：

设计风速νD取塔设备顶部风速。

实际上，最经济有效的防振措施是在设计阶段认真地对塔器进行振动分析。如果塔器不发生共振，或虽发生共振，但塔器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。即使发生振动，振幅也不应超过塔器高度的1/200。

NB/T47041《塔式容器》中第7.6.2.3，7.6.2.4，7.6.2.5条款中有塔体共振的计算方法。在SW6软件中也有相应的情况计算，设计者自行进行计算和判断即可。

4 塔器防振的对策

塔器防振措施有多种，其中主要有：

（1）增大塔器的自振周期

降低塔器高度，增加塔器的直径都可增大塔器的自振周期，但必须与工艺操作条件结合起来一同考虑；加大塔体壁厚或采用密度小、弹性模量大的结构材料也可增大塔器的自振周期；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。

（2）增加塔的阻尼

增加塔的阻尼对抑制塔的振动起很大作用。塔盘上的液体或填料都是有效的阻尼物。研究表明，塔盘上的液体可以将振幅减少10%。

（3）采用扰流装置

梯子、平台和外部扰流件都能起到扰乱卡门涡街的作用。实践证明，在大型塔器上部1/3高度的部分焊上轴向式翅片或螺旋条有很好的防振效果。螺旋形翅片比轴向式翅片的效果更好。经验表明，装有螺旋形翅片的塔器相较装有轴向式翅片的塔器振幅减少2/3左右。

NB/T47041《塔式容器》第8.6条款提醒现场安装时，应根据需要设置独立的平台，且平台及附塔管道应与塔器同期安装，以防止独立塔体发生横风向共振。NB/T47041《塔式容器》第8.6.2条款指出，必要时，应根据需要设置螺旋形扰流片。

若塔器已安装或制造就位后，已发生超过其允许的振动，则应采取措施以防止振动的产生或是将振动的危害性降到最低。常见的措施有：

（1）支撑法：采用交叉式或固定装置进行支撑，使塔设备固定。

（2）拉索法：设置拉索或缆绳固定塔器，就如同常见的高耸烟囱利用拉索或缆绳进行固定一样。此法最大的缺点是需要有足够的拉索或缆绳布置空间。若能实施，对减振效果明显。

（3）框架法：在塔器外围设置框架，此法跟支撑法有异曲同工之妙，可利用框架与塔器进行固定，框架及支撑又可以破坏卡门涡街的形成。

（4）扰流片法：在塔器上部1/3高度的部分安装螺旋形翅片或轴向式翅片。此法在塔器上实施起来有一定的难度。一般此时塔器通常有外保温层或安装有较多的塔器附件（如梯子、塔平台、管线等）。

（5）链条法：在塔器的平台或外壁悬挂橡胶或软质材料包裹的铁链条。铁链条及其附属材料应固定牢靠，以防发生意外。

（6）设置液体或刚体质量阻尼器：在塔器不同高度处，安装液体或刚体质量阻尼器。液体阻尼器常见的为封闭水箱，在塔器振动时，由于液体（常用介质为水）与塔体的不同步，这种晃动与塔器的振动叠加后，对高耸塔器的减振尤其明显；另外，刚体质量阻尼器通过改变塔器整体结构的自振周期和阻尼达到减振的目的。但此法造价比较高，增加塔器自身负重，因此一般不采用。

（7）安装附件法：塔器安装就位后，尽快紧固地脚螺栓；同时，应尽快安装平台、梯子、管线及塔内件（塔盘、塔板、填料等）。

（8）其他方法：合理布置塔器的平台、梯子、管线和其他附件。设备专业人员可以协同其他设计专业人员进行合理布置。考虑塔器所在地的风向，不增加塔器附加荷载等等，这样也有利于减振和防振。

5 结束语

塔器发生横风向振动（诱导振动）的事例已多次出现，给企业带来不安全隐患或事故。因此，设计人员应从本质化安全角度出发，采用多种方法进行减振或防振，控制塔器的横风向振动（诱导振动）。不论是设计之时还是事后振动的补救，应多从设计者的角度和实际出发，采用经济合理的措施。

[1]NB/T47041-2014，塔式容器[S].

[2]GB150.1～150.4-2011，压力容器[S].

[3]HG20652-1998，塔器设计技术规定[S].

[4]路秀林，王者相.塔设备[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5]SH/T 3098-2011，石油化工塔器设计规范[S].

[6]杨国义，王者相，陈志伟，等.NB/T 47041-2014《塔式容器》标准释义与算例[M].北京：新华出版社，2014.

[7]刘道德.化工设备的选择与设计 [M].湖南：中南大学出版社，2003.□

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.05.026

TQ053.5

B

1008-553X（2016）05-0088-03

2016-05-17

雷明华（1980-），男，高级工程师，从事设备设计工作，13865906990，0551-64653867，1902745778@qq.com。