【技术讨论】一个关于”塔器横风向共振防范措施“起源的故事

1. 故事起源？

笔者在临近放假最后一天上班的时候听说了这个故事，就决定马上把这个故事记录下来，一方面怕自己以后忘记了，另一方面想与大家一起分享这个故事：某一工程公司的某一项目因工期特别紧张，现场施工要求先把某一细长的塔器竖立起来，作为整个项目施工的标杆，开始整个项目的施工工作，但因只做了主体受压元件计算，梯子平台、附塔管道、内件等均未与塔器同期安装，现场立起来的是一个只有壳体和裙座的裸塔，后来因为其它原因造成项目施工暂停，但这台裸塔一直矗立在施工现场很长时间并经历了一个漫长的冬天，就在冬天风力比较大的时候，现场人员发现塔器的摇摆振动很厉害，就像风中摇曳的树枝，经历了漫长的冬天后，对这台塔器进行检查的时候发现裙座与下封头焊缝处出现了很大的裂纹。其实这个裂纹产生的原因是由于在风载荷作用下形成共振造成塔器周期性的振动引起的“疲劳裂纹”。尽管计算的时候已进行了共振的计算，但没有考虑切实的防共振措施，进而造成裙座与下封头焊缝处产生疲劳破坏。

（1）这也是为什么后来对于会产生共振的塔器都会附加一条技术要求“附塔管线、梯子平台、保温层等附件应与塔器同期安装，且不允许裸塔长期矗立在现场”。

（2）这也是为什么后来SH/T3098再次修订的时候增加了附录F“塔式容器由于横风向共振失效的防范措施”。

2. 什么时候需要考虑塔器横风向风载荷计算？

因露天放置的塔器在风载荷的作用下，会在两个方向产生振动：一种是顺风向的振动，振动方向与风的流向一致；另一种是横风向的振动，振动的方向与风的流向垂直。前一振动是常规设计的内容，后一种振动也称为风诱发的振动。但并不是对所有塔器都要考虑横风向载荷的，NB/T47041中规定对于H/D＞15且H＞30m时的细长塔（其中H为塔器基础环板底面距上封头切线的距离，D为塔器平均直径），才需计算横风向风载荷产生的风振，因为顺风向载荷并不会引发共振，而横风向载荷才是引发共振的根本原因。

3. 横风向风载荷引发共振的原因？

对于细长塔，塔顶风压较大进而产生较大的风载荷，在横风向载荷作用下，风的流向绕圆柱体的塔器绕流，会在塔器的背面产生漩涡并脱落，由于雷诺数Re的不同，在横风力作用下的塔器，漩涡形成情况也不同。

（1）在150＜Re＜300范围内为过渡阶段，形成的漩涡脱落很不规则；

（2）在300＜Re＜3e10⁵（亚临界区）范围内，在塔器背后两侧周期性 交替的形成漩涡并以一定的频率从塔体表面脱落，将产生周期性的振动，这就是通常所说的卡门涡街；

（3）在3e10⁵＜Re＜3.5e10⁶（过渡区）范围内卡门涡街现象消失，漩涡脱落不规则，将产生随机性的振动；

（4）但在Re＞3.5e10⁶（超临界区）范围内，卡门涡街现象重新出现，又形成周期性的振动。

Fluent模拟卡门涡街流场云图

综上所述，在过渡区因漩涡脱落不规则，即无频率不会引发塔器的共振，在亚临界区和超临界区因漩涡呈周期性 交替脱落状态，会形成一个脱落频率，当漩涡脱落频率与塔器的自振频率相同时，就会引发塔器的共振现象，当频率与塔器一阶振型的自振频率相同时会造成一阶共振，而与高阶振型自振频率相同时则会引起高阶共振，进而造成塔器长时间处于交变载荷作用下的疲劳状态；

4. 共振的判别方法？(NB/T47041-2014)

5. 共振的防范措施及解读？

笔者前述引用的故事引出了SH/T3098-2011附录F“塔式容器由于横风向共振失效的防范措施”的起源。下面笔者将对附录F中的防范措施进行一定的原因解读：

防范措施（1）：裙座外径宜等于下封头外径（即外径对齐）；

原因解读：采用外径对齐时候的焊缝截面处惯性矩及抗弯截面模数比内径对齐时要大一些，能起到一定的降低焊缝区二次弯曲应力的作用。

防范措施（2）：裙座筒体与下封头焊接接头应尽量焊透，焊缝表面应光滑，并与下封头外表面圆滑过渡；

原因解读：全焊透是保证有一定的抗弯截面积，减少内部焊接缺陷，表面光滑与圆滑过渡则可较好的减少焊缝处的应力集中，进而降低疲劳裂纹产生的风险性。

防范措施（3）：裙座筒体与下封头焊接接头应进行100% MT或PT检测，另应进行20%UT检测，II级合格；

原因解读：无损检测的原因就不必多说了，是为了保证焊接质量，降低内部焊接缺陷的风险。

防范措施（4）：增加轴向或螺旋形翅片扰流器；

原因解读：在塔器上部1/3塔高的范围内安装轴向翅片或螺旋形翅片的扰流器，扰乱风的流向，减少卡门涡街的形成几率，能很有效的防止塔器的共振现象。

防范措施（5）：通过改变参数减小塔的自振周期；

原因解读：减小塔的自振周期就是增加塔的自振频率，以避开漩涡脱落频率，进而达到降低共振的目的。

防范措施（6）：计算时若正常操作工况下，设计风速超过一阶或二阶临界风速的时候，需考虑横风向共振时，建议在风载荷弯矩校核计算以后，再增加裸塔(即无保温、无平台梯子、无管道连接、无介质)的横风向共振计算；建议塔平台梯子及连接管线等附件与塔体同期安装，且不允许裸塔长期矗立在现场。

原因解读：一方面裸塔的时候塔器重量减少，在风载荷作用下产生的弯矩更大，振动现象更为明显；另一方面，因裸塔无梯子平台、附加管道等附件，更容易产生共振，因而若在裸塔计算的时候各危险截面的应力均合格，则在正常操作工况下更有保障，正常操作工况下附加的梯子平台、附加管道等因布置位置、方位等的不同，会对横风向载荷起到一个扰流的作用（相当于扰流器的作用），降低卡门涡街现象形成的几率，进而减少共振现象产生的风险。

综上所述，防范措施中主要针对的是裙座与下封头之间的焊缝处，说明在焊缝处是共振造成危害的最危险截面，各防范措施中通过采取有效手段降低焊缝处的二次弯曲应力、应力集中，进而降低焊缝处的最大总应力值，降低其疲劳破坏的风险性。