主要內(nèi)容：我國石化高聳鋼制塔器的抗風振設(shè)計通常依據(jù)塔設(shè)備設(shè)計標準NB/T 47041—2014《塔式容器》7.6節(jié)風載荷計算。按照此標準計算風載荷，初期的固定投資大幅升高。目前比較好的抗風結(jié)構(gòu)為增加螺旋擾流板，但是依然存在順風向風彎矩增大的缺點。中海油惠州石化有限公司首次嘗試在4.8 Mt/a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔主體結(jié)構(gòu)外側(cè)安裝調(diào)質(zhì)阻尼器，工業(yè)測試效果證明此舉措有效降低了風振對主體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。其設(shè)計和投用前后應(yīng)用效果可為國內(nèi)石化行業(yè)鋼制高聳結(jié)構(gòu)控制風振提供新思路和有益參考。
關(guān)鍵詞：調(diào)質(zhì)阻尼器; 抗風振; 高聳結(jié)構(gòu)；應(yīng)用
隨著我國石化產(chǎn)業(yè)大力推進園區(qū)化和集約化，石油化工生產(chǎn)過程中高聳鋼制塔器數(shù)量逐漸增多。同時，與之相對應(yīng)的石化設(shè)備的大型化，也使得高聳鋼制塔器總高度和直徑日益增長。
文中對中海油惠州石化有限公司4.8 Mt /a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔調(diào)質(zhì)阻尼器的設(shè)計及首次工程案例投用前后的測量數(shù)據(jù)進行介紹，可為國內(nèi)石化行業(yè)鋼制高聳結(jié)構(gòu)控制風振提供參考。
1 調(diào)質(zhì)阻尼器控振技術(shù)
1.1 工作原理
調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD，簡稱調(diào)質(zhì)阻尼器)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)被動減振控制體系的一種，目的是減少主結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外力作用下的消能要求值。通過將主結(jié)構(gòu)的一些能量傳遞給固定或連接在主要結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)來完成的。
調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)主要由質(zhì)量塊、調(diào)頻彈簧和阻尼元件組成，它將阻尼器系統(tǒng)自身的振動頻率調(diào)整到結(jié)構(gòu)振動的主要頻率附近，當外力(風、地震)使得結(jié)構(gòu)物的主振頻率被激發(fā)時，阻尼器會產(chǎn)生與主結(jié)構(gòu)反向共振的行為，此時作用在主結(jié)構(gòu)上的能量會被調(diào)質(zhì)阻尼器部分耗散掉，使輸入到主結(jié)構(gòu)中的能量減少，從而起到減小主結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的作用。
調(diào)質(zhì)阻尼器根據(jù)剛度調(diào)頻方式的不同，可分為彈簧支承式和單擺懸掛式兩類，彈簧支承式調(diào)質(zhì)阻尼器主要靠彈簧提供恢復力，通過調(diào)節(jié)彈簧的數(shù)量來調(diào)整阻尼器自身的頻率，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。本文主要介紹彈簧支撐式調(diào)質(zhì)阻尼器實際應(yīng)用。
圖1 彈簧支撐式調(diào)質(zhì)阻尼器結(jié)構(gòu)簡圖
1.2 應(yīng)用領(lǐng)域
調(diào)質(zhì)阻尼器作為有效的減振措施在國內(nèi)外橋梁、高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、輸電線、核電站、熱電廠及軌道交通等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。上海浦東國際機場二期登機橋、倫敦千僖橋、崇啟長江大橋、德國總理府步行橋、廣州電視塔、奧林匹克公園瞭望塔、卡塔爾多哈亞運會主火炬塔、杭州灣大橋觀光塔、西安小雁塔、深圳寶安機場T3航站樓、上海世博會文化中心開幕式場館、西安三角航空400MN模鍛液壓機、山西某風電場44#風電機組、Ⅲ Barge型漂浮式風力機平臺、北京西直門車站及指揮中心、韓國漢城-釜山高速鐵路天安站等建筑和高聳結(jié)構(gòu)中，均設(shè)計并安裝有調(diào)質(zhì)阻尼器。
2 煙氣脫硫洗滌塔風振控制
2.1 結(jié)構(gòu)特點
催化裂化裝置是煉化企業(yè)的基礎(chǔ)煉油裝置。隨著國家環(huán)保要求的日益嚴格，多數(shù)催化裂化裝置新上了煙氣濕法脫硫工藝系統(tǒng)，而煙氣脫硫洗滌塔就是濕法脫硫的核心設(shè)備之一。煙氣脫硫洗滌塔通常高80～120 m，具有總高度值大、高徑比大、塔內(nèi)壓力較低、內(nèi)部阻尼比小、抗風振能力差、鋼煙囪段無內(nèi)件及外部無平臺等特點，是典型的煉油廠高聳結(jié)構(gòu)。
2.2 防振設(shè)計
煙氣脫硫洗滌塔抗風振設(shè)計計算通常依據(jù)塔設(shè)備設(shè)計標準NB/T 47041—2014《塔式容器》7.6節(jié)風載荷進行。按照此標準計算風載荷，初期的固定投資大幅升高。目前比較好的抗風結(jié)構(gòu)為增加螺旋擾流板，其優(yōu)點是投資較少，安裝較為簡單，但在減小橫風振動的同時由于改變了結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)而造成順風向風彎矩增大。
3 應(yīng)用調(diào)質(zhì)阻尼器改進煙氣脫硫洗滌塔風振控制
3.1 項目概況
中海油惠州石化有限公司位于廣東省惠州市大亞灣石化區(qū)，其新建4.8 Mt /a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔總高119.75 m，截面形狀為圓形，最大外徑為9 m，最小外徑為4.6 m。煙囪采用Q345R+316L復合板現(xiàn)場焊接而成，脫硫洗滌塔壁厚隨高度逐漸變薄，底部厚度為(36+3)mm，頂部厚度為(20+4)mm，運行工況下總質(zhì)量約1 113.8 t，空塔工況下總質(zhì)量約為1 008.8 t。由于高度大、剛度柔，脫硫洗滌塔受風的影響較大，為了減少脫硫洗滌塔在風載荷作用下的動力響應(yīng)，在脫硫洗滌塔標高113 m處設(shè)計了調(diào)質(zhì)阻尼器。
3.2 設(shè)計與計算
3.2.1 防振工況考慮
(1)開停工 運行工況下，脫硫洗滌塔中會在標高35 m濾清模塊中裝有105 t循環(huán)漿液，此時測得洗滌塔主頻率為0.736 6 Hz。空塔工況下，脫硫洗滌塔中的漿液需要排空，此時測得洗滌塔的主頻率為0.739 3 Hz。通過兩者的主頻率對比可以發(fā)現(xiàn)105 t漿液的質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的頻率略有影響，但影響很小。在設(shè)計石化行業(yè)高聳設(shè)備調(diào)質(zhì)阻尼器時也應(yīng)該充分考慮到設(shè)備的投用和停用時的變化。
(2)地震 通過建立有限元模型，采用5條不同的地震波(人工波、Bonds波、Sanfer波、Sanfer-t波、Takochi-oki波)進行模擬，將每條地震波的最大加速度調(diào)整為0.55 m/s2。由于每條地震波時長不同，脫硫洗滌塔的反應(yīng)曲線長度也不同，在40～70 s[11]。Takochi-oki地震波作用下脫硫洗滌塔的響應(yīng)最大位移為0.098 m。
(3)風載荷 基于開停工況的分析結(jié)果和脫硫洗滌塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將脫硫洗滌塔分成13段，根據(jù)每段的長度、質(zhì)量、橫截面等參數(shù)建立了用于風載荷計算的簡化模型。簡化模型用來計算用于風載荷動力分析的模態(tài)參數(shù)。通過建立的簡化模型和公式計算得到橫向共振臨界風荷載下的最大位移為0.35 m。
3.2.2 調(diào)質(zhì)阻尼器設(shè)計計算
調(diào)質(zhì)阻尼器外形圖見圖2。有限元模型計算中
圖2 調(diào)質(zhì)阻尼器外形圖
采用諧波激勵模擬橫向風荷載(漩渦脫落)。選取有效質(zhì)量為3 500 kg的調(diào)質(zhì)阻尼器安裝在洗滌塔標高113 m的位置，調(diào)質(zhì)阻尼器的頻率為0.71 Hz，阻尼比為12%。
通過模擬有無調(diào)質(zhì)阻尼器情況下諧波激勵觸發(fā)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，振幅由350 mm減小為19 mm。對所有載荷工況下調(diào)質(zhì)阻尼器的行程進行分析得出Takochi-oki載荷工況下調(diào)質(zhì)阻尼器的最大行程為96 mm。釋放調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)后，脫硫洗滌塔在橫向風載荷作用下的振幅由350 mm減到19 mm，調(diào)質(zhì)阻尼器的行程是72 mm。在一些地震作用工況中調(diào)質(zhì)阻尼器的行程會更大，甚至達到96 mm，將該行程作為調(diào)質(zhì)阻尼器的最大設(shè)計行程。而對橫向風載荷作用，按72 mm來設(shè)計調(diào)質(zhì)阻尼器的工作行程[12]。
3.3 應(yīng)用效果
對調(diào)質(zhì)阻尼器的應(yīng)用效果進行測試。首先將調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死，使其處于非工作狀態(tài)，在脫硫洗滌塔上沿順風向及橫風向(順風向正交方向)布置2個水平向測點，測試脫硫洗滌塔的一階固有頻率[13]。為保證測試數(shù)據(jù)的準確，每次的測試時間取500 s，測得脫硫洗滌塔的一階固有頻率為0.72 Hz和0.73 Hz[14]。脫硫洗滌塔的實際固有頻率與理論計算的頻率(0.75 Hz)基本一致。
在調(diào)質(zhì)阻尼器上已經(jīng)安裝了12個調(diào)頻彈簧，此時的調(diào)質(zhì)阻尼器頻率為0.85 Hz，安裝了3個調(diào)頻彈簧的調(diào)質(zhì)阻尼器頻率為0.70 Hz，對稱減少彈簧個數(shù)將調(diào)質(zhì)阻尼器的頻率調(diào)整至脫硫洗滌塔的一階固有頻率。釋放調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)，在脫硫洗滌塔及調(diào)質(zhì)阻尼器質(zhì)量塊上沿順風向及其正交方向(橫風向)分別布置水平向測點，使調(diào)質(zhì)阻尼器處于工作狀態(tài)，在類似的風力條件下記錄脫硫洗滌塔的水平振動數(shù)據(jù)[15]。
采集脫硫洗滌塔振動加速度響應(yīng)，對比分析調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放時，脫硫洗滌塔振動加速度響應(yīng)及阻尼特性。調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下與釋放條件下脫硫洗滌塔順風向測點振動加速度時程分別見圖3和圖4，調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下與釋放條件下脫硫洗滌塔順風向測點振動加速度頻譜見圖5。
分析圖3～圖5可以得出，調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放時，脫硫洗滌塔順風向測點在500 s內(nèi)的振動加速度峰值分別為0.007 283 m/s2和0.002 618 m/s2。按照振動加速度峰值計算的調(diào)質(zhì)阻尼器減振效率為64.1%。調(diào)質(zhì)阻尼器釋放后，脫硫洗滌塔結(jié)構(gòu)阻尼比提高至3.66%。調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔橫風向測點振動加速度時程見圖6和圖7，
圖3 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下脫硫洗滌塔順風向測點振動加速度時程
圖4 調(diào)質(zhì)阻尼器釋放條件下脫硫洗滌塔順風向測點振動加速度時程
圖5 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔順風向測點振動加速度頻譜
圖6 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死條件下脫硫洗滌塔橫風向測點振動加速度時程
圖7 調(diào)質(zhì)阻尼器釋放條件下脫硫洗滌塔橫風向測點振動加速度時程
調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔橫風向測點振動加速度頻譜見圖8。
分析圖6～圖8可以得出，調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放時，橫風向脫硫洗滌塔在500 s內(nèi)振動加速度峰值分別為0.009 812 m/s2和0.002 360 m/s2。按振動加速度峰值計算的調(diào)質(zhì)阻尼器減振效率為76.5%。調(diào)質(zhì)阻尼器釋放后，脫硫洗滌塔結(jié)構(gòu)阻尼比提高至3.51%。
圖8 調(diào)質(zhì)阻尼器鎖死與釋放條件下脫硫洗滌塔橫風向測點振動加速度頻譜
4 結(jié)語
中海油惠州石化有限公司4.8 Mt /a催化裂化裝置煙氣脫硫洗滌塔采用調(diào)質(zhì)阻尼器作為高聳結(jié)構(gòu)風振控制措施，將脫硫洗滌塔振動傳遞至調(diào)質(zhì)阻尼器，在調(diào)質(zhì)阻尼器的阻尼作用下，振動快速衰減。應(yīng)用表明，調(diào)質(zhì)阻尼器對脫硫洗滌塔投用或者停用2種狀態(tài)均具有較好的抗風振效果，尤其是在對容易引起渦街振動的橫風向振動，調(diào)質(zhì)阻尼器減振效率能夠達到76.5%，阻尼效果甚佳。安裝在塔頂?shù)恼{(diào)質(zhì)阻尼器具有在主體設(shè)備一個生產(chǎn)周期內(nèi)免維護的特點，且能夠保障主體設(shè)備在運行工況和空塔工況期間均具有良好的抗風振能力。此案例為調(diào)質(zhì)阻尼器在國內(nèi)石化行業(yè)鋼制高聳結(jié)構(gòu)風振控制中的首次應(yīng)用，可為類似工程應(yīng)用提供有效的參考經(jīng)驗。
