塔设备风致摆动及质量块减振效果研究

　　摘 要：通过对塔设备风致摆动的分析，求解当外界力频率同塔设备的自然频率相等或者相近时塔设备的振动情况。计算了大高径比塔设备的自然频率与振动型式，以质量块滑动装置作为主要分析对象，研究质量环质量对减震效果的影响以及质量块滑动装置的安装位置对其减震性能的影响。提出一种可行的设计方法，设计了新型的质量块滑动装置，为工程实践提供参考。

　　关 键 词：强度风致摆动;降低摆动幅度;有限元;质量块滑动装置

　　Abstract: Based on the analysis of the wind-induced swing of the tower equipment, the vibration of tower equipment was solved when the frequency of external force was equal to or close to the natural frequency of tower equipment. The natural frequency and vibration pattern of the tower equipment with large height to diameter ratio were calculated in this paper, taking mass block sliding device as the main analysis obiect, the influence of mass ring mass on damping effect and the influence of mass block sliding device installation position on damping performance were studied. And a feasible design method was proposed, which could provide some reference for engineering practice.

　　Key words: Strength wind induced swing, Reduction of swing amplitude; Finite element; Mass block sliding device

　　大高径比塔设备对石化行业、冶金行业和生物制药行业至关重要，其工艺性能、结构强度和工作稳定性，对整个生产流程有非常大的影响。其动载荷中横风向载荷对摆动的影响最为复杂，横风向载荷往往是由于其气体旋涡脱落塔设备背风面的频率同其固有频率的比值在0.7-1.3的范围内时，会诱发塔器发生共振现象，导致塔器产生较大振幅，对塔设备的工艺性能、结构强度和现场工人安全都造成较大的危害"。本文以某在役大高径比塔设备为例，研究其风致摆动及质量块减振效果。

　　1设计参数

　　设计参数以《塔式容器》(NB/T 47041-2014)为计算基础。塔式容器设计参数见表1，简图见图1，塔式容器主要材料为Q345R，弹性模量为2.06x10 MРа，松比为0.3.

　　2塔设备的风致摆动分析

　　塔设备的风致摆动分析，主要是求解当外界力频率同塔设备的自然频率相等或者相近时塔设备的振动情况。

　　下面将通过模态分析和塔设备谐响应分析，对塔设备在没有降低风致摆动措施情况下振动情形进行求解计算"。

　　本文重点关注的问题是塔设备的风致摆动，而非其结构强度，因此在进行模态求解时可以忽略开孔和外部附件的影响，进行计算时可以不予考虑。但是这些忽略的东西由于其分布不同，导致塔设备不同位置的质量会发生变化，从而影响其自然频率。为了解决模型简化对计算结果的影响，建模时采用等效质量的方法，即将附件的质量通过调节塔设备相应部位的密度来等效"。为了降低计算量，加快计算速度，本文使用壳单元建立相应的模型。根据前人研究成果和软件的使用经验可知，使用分块法求解出塔设备前五阶振动型式即可满足本文的研究需求"。因此，在后处理中将扩展也设置成五阶，再进行求解后，便可在后处理中查看塔设备的响应特性。根据计算结果可以获得塔设备的自然频率见表2，与之对应的振动型式如图2至图6所示。

　　通过以上求解结果，使用风致摆动基本原理和风速同频率的关系可以求解出塔设备发生相应振动时，需要的最小风速，其计算结果如表 3 所示。

　　依据以上求解结果可以清楚地得知在该塔设备的设计条件下，只会出现第一阶的摆动，其更高阶数的摆动不会发生。同时依据模态求解结果可以知道在该种情况下其最大位移点位于顶部，可以将此节点作为后续研究的参考点13质量块滑动装置减振效果探究

　　3.1质量块滑动装置结构根据质量块滑动装置降低摆动幅度原理及其基本结构，可知质量块装置由铁块、弹簧、吊装装置和阻尼装置4个部分组成。其结构示意图如图7所示。

　　3.2质量环质量对减振效果的影响

　　质量作为质量块滑动装置一个重要参数，其对质量块滑动装置的性能具有较大的影响，因此本小节将对其具体影响规律进行探讨。

　　为了使本小节的探究具有一定的工程意义，应该选用一个可以表征质量环质量的无量纲参数作为研究对象。为了确定质量环量对该装置性能的影响，应该将质量环质量作为一个参变量。另外一个参变量的选择，可以是塔设备整体静质量，也可以是塔设备总体质量，还可以选择质量环装置质量或者整个结构的质量。为了有一个较好的参考意义，同时质量环装置的主要作用是降低塔设备的摆动幅度，因此应该是降低塔设备正常工作情况下的摆动幅度，因而应该将塔设备总体质量作为另外一个参变量。本小节主要研究目的是质量环质量对装置降低塔设备摆动幅度的影响，因此应该将塔设备总体质量作为分母，质量环质量作为分子。

　　根据上述分析和本文选用的塔设备可以确定参数的变化如表4所示。

　　依据表 4 在 ANSYS 中建立相应的有限元模型，将质量块设置在靠近封头与筒体焊缝的区域内。

　　建立有限元模型后，通过改变质量环单元的密度来实现其质量的更改。在计算出模态后，使用谐响应求解最终得到 3 种质量结构对质量块滑动装置降低摆动幅度的影响。最终计算结果如图 8 所示。

　　3.3安装位置对减振效果的影响

　　质量块滑动装置的安装位置对其减震性能有一定的影响。如果将质量块滑动装置安装在塔设备的底部或者裙座处，塔设备本身此处的摆动幅度较小，即使质量块滑动装置性能再优越，其降低幅度也是有限的。根据以上理论应该将质量块滑动装置尽可能地安装在塔设备最高处，以便其吸收更多的摆动能量。但是塔设备的顶端是球形封头或者椭圆形封头，在其上焊接质量块滑动装置可能会对该部位的结构强度具有较大的影响。如果将质量块滑动装置安装在距离此处较远的距离，其又有可能会影响降低摆动幅度的效果。因此本小节将探讨将质量块滑动装置安装在何处可以即不会对塔设备的结构强度造成较大的影响，又能够具有良好的降低塔设备摆动幅度的效果。

　　为了使结果具有普适性，应该选用一个无量纲参变量使结论可以更好地应用到其他装置上。根据需要应该将两个长度的比值作为质量块滑动装置安装位置的参变量。基于安装质量块滑动装置的主要目的是降低塔设备的摆动幅度，因此应该将质量块滑动装置距离塔设备顶端的距离和余下距离作为该无量纲参量的两个因素。其中距离塔设备顶端的距离理论上可以为零，所以应该将其作为分子，距离塔设备土建基础的高度作为分母，同时将质量比选为0.06根据上述分析确定本小节需要计算的参变量如表 5 所示。

　　根据表5，分别建立3组有限元模型。第一组将质量块设置在靠近封头与筒体上焊缝的区域内;第二组将质量块设置在距离上焊缝1/8简节长度的位置;第三组将质量块设置在距离上焊缝14简节长度的位置。

　　建立有限元模型后，通过模态求解计算出各模型的一阶模态。在计算出模态后，使用诸响应求解最终得到该3种安装位置对质量块滑动装置降低摆动幅度的影响。最终计算结果如图9所示。

　　根据图9中展示的计算结果可知，质量块滑动装置安装的位置越高，其降低风致摆动幅度的效果越好。但是安装高度过高，也会给裙座底部的螺栓造成过大的附加弯矩。同时由于在球形封头上不宜焊接垫板用来连接塔设备和质量块滑动装置。同时在简体和球形封头连接处属于应力不连续，此处往往是应力较大的部位，因此在焊接垫板时也应该避开此处。

　　综合以上原因和情况考虑，并且一般会发生风致摆动的塔设备内径都较小，所以将质量块滑动装置安装在距离筒体和球形封头连接处以下是最佳选择。

　　这种质量块滑动装置比传统的质量块滑动装置具有更广泛的适用范围，并且减振效果也更好。

　　通过确定质量无量纲量，探讨了质量环质量对降低塔设备风致摆动幅度的影响，根据计算结果可知质量环质量越大降低风致摆动幅度效果越好。

　　除此之外，还确定了一个安装位无量纲量，适用该变量探讨了质量环安装位置对降低塔设备风致摆动幅度的影响。根据求解结果能够看出安装位置越高，降低风致摆动幅度效果越好。

　　4结论

　　本文首先对选用的塔设备的摆动特性进行了求解计算，并对质量块滑动装置中的质量环质量和安装位置对降低塔设备风致摆动幅度的影响进行了探讨。根据以上分析和求解可以得到如下结论：

　　1)本文选用的塔设备在其设计条件下仅能够发生一阶风致摆动。

　　2)质量环质量越大降低摆动幅度效果越好。

　　3)质量块滑动装置安装位置越高降低摆动幅度效果越好。

　　4)本文的质量环滑动装置具有良好的减振效果。

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文章名称： 塔设备风致摆动及质量块减振效果研究

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