徐 樂 譚 蔚 賈占斌 杜怡安 樊顯濤

(天津大學(xué)化工學(xué)院)

塔器是化工行業(yè)中典型的高聳設(shè)備，一般安裝在室外，在工作時會同時受到順風(fēng)向與橫風(fēng)向風(fēng)荷載的作用。順風(fēng)向荷載與振動方向一致，橫風(fēng)向荷載與振動方向垂直，后者往往在高聳塔器的風(fēng)致振動中起主要作用[1]。

隨著裝備制造水平的提高，塔器朝著高參數(shù)、大型化發(fā)展，塔器的高徑比不斷增加，結(jié)構(gòu)變得越來越柔，使得風(fēng)致振動事故不斷發(fā)生[2～4]。塔器振動輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)效率，重則損害設(shè)備，危害生產(chǎn)安全。塔器在正常操作狀態(tài)下，由于塔體中填料(或塔板)、物料的存在，阻尼比較大，不易發(fā)生風(fēng)致振動。但當(dāng)塔器處于停車檢修等空塔狀態(tài)時，阻尼比減小，極易發(fā)生振幅較大的風(fēng)致振動，有研究者進行了相關(guān)報道[5]。目前針對塔器風(fēng)致振動的研究多為數(shù)值模擬計算，缺乏現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的支持[6]。

筆者針對一座停車檢修的塔器風(fēng)致振動進行現(xiàn)場實測，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準[7，8]，對塔器進行了振動分析和疲勞校核，以期為塔器風(fēng)致振動分析和疲勞校核提供參考。

1 現(xiàn)場實測

測試實驗是針對某石化公司高約75m的精

餾塔開展的，該塔器經(jīng)歷了為期30天的停車檢修，在塔器靜置的過程中，發(fā)生了較為明顯的橫風(fēng)向振動，塔器的相關(guān)參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 1.0MPa

設(shè)計溫度 145℃

內(nèi)徑 1 400mm

總高 76 725mm

殼體厚度 14～44mm

材料 Q345R

現(xiàn)場測試儀器是DHDAS高速靜態(tài)應(yīng)變采集儀、DHDAS無線動態(tài)應(yīng)變采集儀、壓阻式加速度傳感器、高靈敏度應(yīng)變片、風(fēng)速儀及風(fēng)向儀等。在180°的第5層平臺壁面處均布4個加速度傳感器探頭，平臺高度為47.8m，在底部距基礎(chǔ)環(huán)板0.1m處沿環(huán)向均布應(yīng)變片，測點布置如圖1所示。

近地面處應(yīng)變片采集的信號通過連接線傳輸給計算機，47.8m處加速度探頭采集的信號通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉徒o計算機。配套的靜態(tài)、動態(tài)采集分析系統(tǒng)可以完成振動信號的實時采集、保存和后處理。采集環(huán)境荷載對塔器進行激勵時的振動信號，將獲得的信號綜合運用自功率譜密度函數(shù)和隨機減量法識別塔器的模態(tài)參數(shù)。相較于傳統(tǒng)塔器模態(tài)參數(shù)測量時綁定鋼索、集中力激振等方法，環(huán)境激勵的方法不會損傷塔器器壁，也不需要昂貴的激振設(shè)備，只需利用傳感器測量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號即可，該方法易操作且經(jīng)濟性高[9]。測試參數(shù)和環(huán)境參數(shù)如下：

圖1 應(yīng)變和加速度測點設(shè)置

最大風(fēng)速 6.4m/s

加速度測點個數(shù) 4

應(yīng)變測點個數(shù) 8

采樣時長 1 800s

加速度采樣頻率 100Hz

應(yīng)變采樣頻率 20Hz

測得塔器的實驗數(shù)據(jù)和后處理結(jié)果如圖2所示。圖2a、b為測點加速度原始數(shù)據(jù)和FFT結(jié)果，由此可以得到塔器一階、二階固有頻率分別為0.256、1.398Hz。圖2c為測試過程中截取的發(fā)生橫風(fēng)向振動的應(yīng)變曲線，由曲線可得發(fā)生振動時裙座處軸向應(yīng)變?yōu)?.1με，并由此曲線可計算出此時塔器振動的頻率為0.259Hz，非常接近塔器一階固有頻率，證明塔器發(fā)生了一階橫風(fēng)向振動。圖2d為對加速度信號進行隨機減量處理后得到的自由衰減曲線，由自由衰減曲線可計算出塔器阻尼比為0.004 2，該阻尼比小于按標(biāo)準設(shè)計時阻尼比取值0.01。

圖2 現(xiàn)場測試及后處理結(jié)果

NB/T 47041-2014中公式(16)給出了等直徑變壁厚塔器的一階固有頻率計算公式，將塔體按照不同壁厚分為7個計算段，計算出一階固有頻率為0.221Hz。標(biāo)準計算值比現(xiàn)場實測值小13.6%，這是由于標(biāo)準在計算時，塔體按照操作質(zhì)量選取，而測試塔器處于檢修狀態(tài)，質(zhì)量較小，因而一階固有頻率大于操作狀態(tài)。

根據(jù)NB/T 47041-2014中公式(39)橫風(fēng)向塔頂振幅計算公式，將現(xiàn)場測試得到的參數(shù)(一階固有頻率0.256Hz，阻尼比0.004 2)代入公式(39)，可算出塔頂橫風(fēng)向振幅為83mm。現(xiàn)場監(jiān)控曾記錄下塔器發(fā)生振動時的視頻錄像，由后期高速攝影圖像處理軟件，計算出當(dāng)時橫風(fēng)向振動位移為91mm，與標(biāo)準計算值相差8.7%，可以認為在獲取到塔器現(xiàn)場參數(shù)后，依據(jù)標(biāo)準計算得到的塔器橫風(fēng)向位移是較為準確的。

2 數(shù)值模擬計算

現(xiàn)場實測時，由于應(yīng)變測點位置與塔器振動方向呈一定角度，因此不便于通過理論方法計算，筆者采用數(shù)值模擬計算。

標(biāo)準NB/T 47041-2014采用振動理論，在計算得到橫風(fēng)向塔頂振幅后，用共振時慣性力計算等效橫風(fēng)向荷載。經(jīng)過等效后，橫風(fēng)向荷載變?yōu)榈刃У撵o力荷載[10]，即：

(1)

mi——第i段塔體質(zhì)量；

Tj——第j階固有頻率；

YTj——橫風(fēng)向振幅；

φi——i截面振形系數(shù)。

對于等直徑塔器，其振形函數(shù)可表達為：

(2)

式中H——塔器總高；

Zi——i截面高度。

由式(1)、(2)可推導(dǎo)出i截面處等效橫風(fēng)向荷載：

(3)

利用ANSYS軟件對該精餾塔進行了全尺寸建模，其中塔體采用殼單元SHELL181，平臺采用梁單元BEAM188，平臺與塔體通過MPC184單元綁定接觸，局部網(wǎng)格如圖3所示。模擬計算時，通過定義加載函數(shù)，將式(3)作為面壓力加在塔器表面?，F(xiàn)場測試時，由于應(yīng)變片在塔器安裝后粘貼，應(yīng)變片測得的僅為塔器在風(fēng)荷載作用下的軸向應(yīng)變，而不包含塔器自身重力引起的軸向應(yīng)變，故模擬計算時不考慮塔器的自身重量，得到了塔器的位移和測點應(yīng)變，如圖4所示。

圖3 局部網(wǎng)格示意圖

數(shù)值模擬計算值與現(xiàn)場實測值對比見表1。由表可知，模態(tài)誤差在5%以內(nèi)，應(yīng)變誤差在10%以內(nèi)。將標(biāo)準計算得到的振幅轉(zhuǎn)化為等效慣性力，并通過數(shù)值模擬計算此慣性力下的測點應(yīng)變與現(xiàn)場實測應(yīng)變接近，表明采用塔器實測參數(shù)按照標(biāo)準計算的方法是可行的。

3 疲勞分析與校核

根據(jù)NB/T 47041-2014中公式(43)，將現(xiàn)場實測得到的一階固有頻率、阻尼比代入方程式可計算塔體共振時各計算截面橫風(fēng)向彎矩，進而可計算出由橫風(fēng)向引起的軸向應(yīng)力。

圖4 頂部位移和測點應(yīng)變

參數(shù)現(xiàn)場實測值A(chǔ)NSYS計算值一階固有頻率/Hz0.2560.267二階固有頻率/Hz1.3981.466測點應(yīng)變/με2.1002.303

塔器處于檢修時沒有內(nèi)壓引起的應(yīng)力，考慮塔器自身重力載荷后，經(jīng)計算最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙座與筒體的焊縫處(I-I截面)，該截面處的應(yīng)力如下：

由JB 4732-1995(2005確認)標(biāo)準中圖C-1，得到該精餾塔允許循環(huán)振動次數(shù)大于106。

由一階固有頻率，可算出允許塔體連續(xù)振動時間大于45天，相對于停車檢修30天的時間，可認為允許共振時間足夠長，即該精餾塔在檢修狀態(tài)下可以抵抗橫風(fēng)向共振引發(fā)的疲勞破壞。

4 結(jié)束語

針對一座75m高精餾塔進行了檢修條件下的風(fēng)致振動測試，測試結(jié)果表明，設(shè)計計算時所取阻尼比0.01大于檢修條件下的阻尼比0.004 2，一階固有頻率比檢修條件小13.6%。采用實測值按照NB/T 47041-2014標(biāo)準和JB 4732-1995(2005確認)標(biāo)準進行應(yīng)力計算與疲勞校核，結(jié)果表明該精餾塔在檢修狀態(tài)下可以抵抗橫風(fēng)向共振引發(fā)的疲勞破壞。由于檢修(空塔)條件與設(shè)計條件下的塔器固有頻率和阻尼比不同，筆者采用的現(xiàn)場測試與標(biāo)準相結(jié)合的塔器風(fēng)致振動計算分析方法，可以較為準確地評估檢修(空塔)時橫風(fēng)向振動可能引起的疲勞破壞，可為塔器風(fēng)致振動計算和疲勞分析提供參考。

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