细高塔的共振分析与防振措施

杜 栓

(宁波弘讯工程咨询有限公司，浙江 宁波 315040)

风载荷、地震载荷以及风诱发振动是塔器设计必须考虑的重要载荷和工况，NB/T 47041《塔式容器》要求，当H/D>15，且H>30m 时，除考虑顺风向风载荷外，还应考虑横风向风振，并进行共振判别[1]。但按设计参数正确输入且计算合格的塔，在塔安装或操作运行过程中，塔体共振仍时有发生，影响塔的运行安全。

塔体越高或高径比越大，风载荷的影响就越大，在一定条件下极易发生共振。如1995 年，在刮 5～6 级风时，某维尼纶厂高60 m的钢烟囱，沿与风垂直的方向剧烈振动；2002 年，某烷基苯装置高 80 m的钢烟囱，吊装完毕后的空烟囱在风力约6 级时发生剧烈振动，振动方向与风向垂直，烟囱顶部的振幅最大时达450mm；2008 年，某脱甲烷塔尚未投产就发生了诱导振动，并导致设备多处严重开裂；2009 年，某乙烯塔，在刮 5～6 级风时，发生大幅度摆动，并伴随很大的声音[2]。

因此，对细高塔进行共振分析和采取防振措施是非常有必要的。

1 细高塔的共振实例

2016年9月，某环氧乙烷塔在操作运行过程中发生大幅度摆动，共振时塔的摆动实况见图1，共振时的风速为4.5m/s，共振振幅约30mm，在有风季节均有不同振幅的摆动。2017年3月，经检测裙座筒体与下封头焊接的环焊缝融合处发现，西北方向裂纹长度约2.5m，其中贯穿性裂纹长度约2m；东南方向裂纹长度约2.8 m，裂纹深度 5～17mm。塔体顶部没有扰流装置。

乙烷塔发生共振后，对该塔进行了复核计算，并对发生共振的原因及危害进行了分析，提出了修复方案。

(1)设计参数。设计压力为0.5/-0.1MPa(g)，设计温度为175℃，塔内为易爆、高危险的环氧乙烷，内有填料和多层塔盘，保温层厚度为100 mm，塔体直径D=3 400mm，裙座底端直径D=5 400mm，裙座高度为9 700 mm，塔体总高度H≈81m，环氧乙烷外形见图2。裙座筒体为 22 mm的 Q345R，筒体从下到上依次为 3mm+22mm、3mm+20mm、3mm+18mm、3mm+16mm 的S30403+Q345R，裙座壳与塔壳对接且焊缝高度为75 mm，基本风压值(10 m 高度处)为620N/m2，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组第三组，场地土类别Ⅳ类，地面粗糙度类别 B 类。

(2)计算复核。计算过程中严格按照设计参数输入，在操作状态下产生的一阶共振风速≈ 4.5m/s，二阶共振风速≈29 m/s，设计风速≈44 m/s，塔顶最大挠度≈280，各截面筒体计算合格。通过计算结果可见，应考虑第一振型和第二振型的振动，塔顶挠度符合SH/T 3098《石油化工塔器设计规范》中YD≤H/200=405 mm的要求。

(3)共振原因分析：①计算结果有漏项，计算书中有操作工况和耐压试验工况的计算，缺少安装工况的计算；②设计者没有采取必有的防振措施，虽然SW6计算书上各截面筒体计算合格，塔顶挠度值也满足标准规范要求，基于设计风速大于第二临界风速的计算结果，在条件具备时共振就会发生，设计者应采取必要的防振措施。而该塔塔顶没有设置扰流装置，也没有对危险截面进行加强处理，也未对局部危险位置进行疲劳分析，未提出“塔体应与管线、梯子平台同时安装”的具体要求；③制造有缺陷，裙座筒体与下封头的焊缝高度没有达到设计要求，且未与封头圆滑过渡；④减振措施采取不及时，该塔除发生较大振幅的摆动外，在有风季节还会有不同振幅的摆动，连续多天共振将造成对塔体焊缝和本体的疲劳影响，使塔体焊缝大范围开裂。

(4)发生共振的危害：①塔盘倾斜，气液传质不均匀，导致塔板效率下降，影响产品质量；②与塔体连接的接管，因塔的摆动过大，连接处受到拉、压、弯、扭的综合作用，易出现泄漏；③塔顶挠度大，会产生较大的附加偏心弯矩，影响设备的使用寿命；④梯子平台上检维修人员不安全[3]。

(5)紧急修复方案：①在实施裂纹修复前，应根据检测结果，在裂纹尖端钻圆孔止裂，避免裂纹扩大；②开裂处筒节进行加固处理，如焊轴向筋板；③按 GB 150.1～150.4《压力容器》进行裂纹修复；④裂纹修复完好后，应实时监控外侧裂纹的产生及扩展情况，发现新生裂纹要及时修复；⑤同时监测裙座螺栓座、裙座最大开孔处的壳体截面、裙座上部及筒体下端的纵环焊缝、塔下封头切线所在截面等危险截面是否发生损坏。

(6)长久运行修复方案：①优化下封头与裙座筒体的连接焊缝结构，保证焊缝高度、氩弧焊打底确保全焊透，打磨焊缝圆滑过渡，对该环焊缝进行无损检测，使其达到标准要求，对该环焊缝进行加强处理；②塔顶增设扰流设施或设置塔架。

2 细高塔的共振分析与防振措施

通过上述事例可知，计算合格的塔器也会发生共振，连续共振多天会对塔体焊缝和本体产生疲劳损坏，进而导致塔体焊缝开裂，影响塔的运行安全，在塔的设计、制造、安装、运行中必须引起重视。

特别是塔设计压力较低时(包括内压或外压)，风载荷和地震载荷就成为了塔器安全的主要载荷，由于风载荷和地震载荷计算都是动力计算，塔体的承受能力不仅与自身的几何尺寸有关，且与自身的动力特征相关联，使塔体产生加速度，引起惯性力，并产生随时间变化的变形和动应力[4，5]。

对承受动力载荷的线性结构体系，其主要的物理特性包括体系质量、弹性特征、能力耗散、阻尼、外部扰力或载荷。NB/T 47041《塔式容器》中的质量、自振周期、地震载荷、风载荷、弯矩、塔顶挠度等，在计算中涉及到一些基础数据、设计参数以及经验值参数等。其中，基础数据包括10 m 高度处基本风压值、抗震设防烈度、设计基本地震加速度、设计地震分组、场地土类别、地面粗糙度等；设计参数包括压力、温度、直径、高度、介质密度、保温层的密度和厚度、偏心载荷、集中质量、操作平台等；经验值参数包括阻尼系数、脉动增大系数、风压高度变化系数、振型系数等[5，6]。

2.1 保证设计参数输入的精确性

细高塔的共振计算中涉及到基本风压值、基本雪压、抗震地震烈度、设计基本地震加速度、设计地震分组、地面粗糙度类别、场地土类别、空塔阻尼比、操作工况下塔阻尼比等数据，需要保证设计参数输入的精确性，塔器计算才是精确可靠的。

2.2 重视安装工况的塔器计算

安装过程中塔内压力为常压，塔内温度为常温，承受100%风载或 25%风载+100%地震载荷，两者所产生的弯矩取大值时塔体质量最小。可拆塔内件、保温层、平台梯子、填料等可能还未安装，没有操作介质。

塔器的安装工况如下：①因没有操作介质、可拆塔内件和梯子平台等，塔体质量最小；②因没有安装保温层等，塔器的平均直径D最小，则H/D最大；③没有安装梯子平台、填料等，阻尼系数小；④没有与其他设备或管廊相连，塔器的振动不受限制；⑤承受 100%风载或 25%风载+100%地震载荷，两者所产生的弯矩取大值。因此，塔在安装过程中更易发生诱导振动，应重视安装工况的塔器计算。

塔内物料、塔周围的建筑群都会影响该塔的阻尼比，阻尼比应根据实测值确定。NB/T 47041《塔式容器》上只给出了一阶振型阻尼比可取0.01～0.03，高阶振型阻尼比可参照第一振型阻尼比选取，没有指明安装、操作、耐压试验工况阻尼比如何取值。NB/T 47041《塔式容器》标准释义与算例中指出，国内外都有些塔器的阻尼比的实测数据，但这些数据比较分散，塔式容器的阻尼比小于标准设计反应谱所采用的0.05，推荐阻尼比为0.01。某大学测得空塔阻尼比与操作工况下塔阻尼比小很多。雷诺数与塔的阻尼比有关，不能通过计算雷诺数的方法在设计阶段判定共振的发生振幅。阻尼比的取值对塔器共振判别影响很大，空塔阻尼比的取值更是给设计者造成了困扰。

2.3 优化结构设计

2.3.1 塔顶设置扰流装置

降低塔高，增加塔的直径是工艺操作所不允许的；通过增加壳体厚度来提高塔器的抗振能力是非常有限的，也是不经济的；采用密度小、弹性模量大的材料不仅不经济，也不可能通过增加塔内液体、填料、梯子平台等来增加塔的阻尼。

装有轴向翅片的塔设备，共振时的振幅将减少1/2 左右，螺旋形翅片比轴向翅片的效果更好[1]。

可见，对细高塔而言，最经济与最有效的防振措施乃是在塔顶设置扰流装置。

2.3.2 优化裙座筒体与下封头连接的环焊缝

对于锥形裙座的细高塔而言，因裙座筒体与下封头连接的环环焊缝存在如下情况：①截面积最小，所受的组合应力较大；②共振引发裂纹的起点离该环焊缝较近；③环焊缝熔合区易存在检测到的焊接缺陷。

应优化裙座筒体与下封头连接的环焊缝：①保证焊缝高度、氩弧焊打底确保全焊透、焊缝表面打磨光滑，并与下封头外表面圆滑过渡；②提高裙座筒体的对接接头施焊要求与本体相同，并应按 NB/T 47013 进行100%UT 检测Ⅰ级合格，100%MT检测Ⅰ级合格；③有必要时，对该环焊缝进行加强处理，如设置轴向加强筋板。

2.4 不推荐裸塔状态竖立

塔安装就位后，不推荐裸塔状态竖立，应将塔平台、梯子及与塔相连接的主要管线与塔同期安装就位。

2.5 监测塔器的运行

塔器运行过程中应加强监测，发生大振幅共振或小振幅摆动频繁时，应尽早采取必要的防振措施，如增设扰流设施、拉纤、阻尼器等，避免共振对塔体焊缝和本体产生疲劳影响，而使事态进一步恶化。

3 结语

对于细高塔而言，为防止共振，建议：①保证计算输入参数的精确性；②塔器计算时应全面考虑安装、操作、压力试验等各种工况；③优化结构设计，塔顶宜设置扰流设施，裙座筒体与下封头连接的环焊缝应确保全焊透并圆滑过渡；④塔安装就位后，不推荐裸塔状态竖立；⑤塔体发生大振幅共振或小振幅摆动频繁时，应加强监测并采取必要的防振措施。

从设计、制造、安装、操作等多方面，防止塔器由于共振对设备造成的损坏。

同时，建议加大对塔器阻尼比的实测和研究力度，并在标准规范中给出塔器空塔、操作、耐压试验工况下阻尼比推荐值。