杨帅

(中国石化青岛安全工程研究院，化学品安全控制国家重点实验室 山东青岛 266071)

0 引言

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一，平均每年有7个台风在我国登陆，2018年第22号超强台风“山竹”于9月16日在广东台山市海宴镇登陆，登陆中心风力14级(约45 m/s)，风力强、影响范围大，对广东、广西各地的石化企业造成了严重威胁。塔设备是石油化工、精细化工等领域的重要设备之一，其投资费用占整个工艺设备费用的25%～35%[1]。塔设备由于其较大的高径比，容易受到台风载荷的影响，造成结构失效，进而引发泄漏、火灾、爆炸等事故。

对塔设备而言，风载荷引起的结构应力占总结构应力的80%～90%[2]。风载荷对塔设备的作用可分为顺风向、横风向和扭转向来研究[3]。顺风向振动为顺风向承受风力作用时产生与风向相同的振动，横风向振动为横风向承受风力作用时产生的横向振动。由于扭转距对塔设备影响较小，一般可忽略。在上述3种作用中，由塔设备背风向的卡曼涡街引发的横风向振动对塔设备的影响最大[4-5]。由风载荷引起的塔设备风诱导振动可能迫使塔器发生弯曲和倾斜乃至裙座断裂，迫使塔器的产能下降甚至停止运行，引发泄漏、火灾、爆炸等二次事故[6]。风诱导振动造成塔设备共振与塔设备的固有频率有关，不同塔设备发生风诱导振动所需的风载荷并不相同[7-9]，如何定量评估风载荷对塔设备造成的损害是十分重要的。

本文以东南沿海某石化项目的乙烯精馏塔为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS建立流固耦合数值模型对乙烯精馏塔的风载荷分布及风振响应情况进行分析，研究乙烯精馏塔附近的风压、风速等风场特性以及该风场下乙烯精馏塔的应力、应变分布规律，对乙烯精馏塔在台风下的可靠性进行分析，为自然灾害下的事故应急处置提供技术支撑。

1 模态分析

1.1 乙烯精馏塔参数

以东南沿海的某石化项目中的乙烯精馏塔作为分析对象，该塔高度约83 m，外径为3.26 m，其基本设计参数见表1。

表1 乙烯精馏塔基本设计参数

1.2 模态分析

由于乙烯精馏塔的风振分析只考虑塔器的整体振动，不考虑塔器的局部模态，因此只对塔器的整体模态进行分析。乙烯精馏塔的模型采用容易发生强烈振动的空塔模型，内部塔盘和接管的质量采用等效密度法等效至壳体上。采用ANSYS软件对乙烯精馏塔进行模态分析，计算乙烯精馏塔的固有频率。乙烯精馏塔选用六面体网格进行网格划分，网格节点数为194 631，网格数为73 705，如图1所示。乙烯精馏塔的前六阶固有频率如表2所示，其对应振型图如图2所示。

图1 塔器网格划分

表2 乙烯精馏塔固有频率 Hz

图2 乙烯精馏塔前六阶振型

1.3 共振风速

我国《塔式容器》(NB/T 47041—2014)[10]标准中给出了一种共振判据，当塔设备的高度H>30 m且高度与平均直径之比H/D>15时，可以比较i阶临界风速vci和临界风速v大小后进行判断。塔设备共振临界风速按式(1)计算为

式中，vci为第i阶振型共振时的临界风速，m/s；Da为塔外径，mm；Ti为塔器第i阶振型的自振周期，s；St为斯特罗哈数，按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)对圆截面的塔式容器取0.2。

若v

根据1.2节模态分析计算的乙烯精馏塔共振频率，可以得到前六阶的共振临界风速如表3所示。该石化企业所在区域长期受到台风威胁，但136 m/s左右的台风在当地实属罕见，因此在考虑共振临界风速时只需要考虑前四阶共振临界风速即可。

表3 乙烯精馏塔共振临界风速 m/s

2 风振响应分析

2.1 流场模型设置

风场计算区域在对计算结果没有影响的前提下应尽可能的缩小，但必须保证其不受堵塞效果的影响，因此塔结构投影面积与计算区域面积的比例应控制在5%以下[11]。根据上述原则，建立了52.16 m×45.64 m×100 m的台风计算域，对计算域进行区块划分，并采用六面体网格和四面体网格进行网格绘制，如图3所示，网格间距为800 mm，共绘制流体网格700 558个。

图3 风场网格划分

风场采用计算流体力学软件Fluent 16.0进行分析，台风风场湍流模型采取标准k-ε湍流模型，风场进口为速度进口，其余出口都为压力出口，风场底面设置为wall。风场计算采用稳态作为时间方案。风场速度进口采用指数风剖面，其风速如式(2)所示，采用UDF耦合入Fluent软件中进行设置。

vi=v0(zi/z0)0.16(2)

式中，v0为10 m高度下的风速，m/s；z0为10 m；vi为zi高度下的风速，m/s；zi为高度为im的高度值，m。

2.2 风载荷分布

以台风“山竹”期间该石化企业附近风速23 m/s为例，乙烯精馏塔表面的风速分布、风压分布、风速矢量分布分别如图4～图7所示。乙烯精馏塔附近风速逐渐降低，在乙烯精馏塔的背风向投影区存在一条延伸至出流边界的低风速带，并且低风速带内的平均风速随高度逐渐降低。在低风速带区域内，乙烯精馏塔背风向附近存在少许漩涡，没有形成卡曼涡街。原因在于乙烯精馏塔背风向附近风速降低至10 m/s左右，雷诺数约为2.23e+6，根据《塔式容器》的判定标准，该雷诺数处于过渡区，该区域内卡曼涡街消失。对于风压分布，塔设备迎风面和对应两侧塔顶部承受的风压较大，迎风面表现为压力，两侧表现为吸力，因此台风对塔设备造成的塔顶挠度不仅表现在进风的X方向，也体现在两侧的Y方向，需要对其变形量进行综合考虑。

图5 风场风速矢量分布

图6 风场风压分布

图7 乙烯精馏塔风压分布

2.3 结构分析

根据乙烯精馏塔表面的风压分布结果，对乙烯精馏塔在台风“山竹”下的的应力、变形情况进行分析，结果如图8、图9所示。乙烯精馏塔的最大应力出现在塔体及裙座的迎风面交汇处，应力随着高度的增加逐渐减小，塔顶处应力降至最低，降至0。乙烯精馏塔的最大变形出现在塔顶，并随着塔高逐渐减小，变形方向与风向相同。

图8 乙烯精馏塔应力分布云图

图9 乙烯精馏塔变形分布云图

随着风速提高，乙烯精馏塔的最大应力和最大变形不断增大，但应力和变形的变化频率基本保持不变，如图10所示。在不同风速下乙烯精馏塔的顺风向变形均呈现类似一阶振型的变化，即使增大风速，乙烯精馏塔在顺风向也不会发生高阶振型的振动变化。在风速10～50 m/s的变化范围内，塔体最大应力从6 MPa增加至700 MPa左右，裙座最大应力从4 MPa增加至490 MPa左右，塔顶变形从26 mm增加至3 000 mm左右。塔体最大应力、裙座最大应力和塔顶变形随风速呈多次多项式的变化关系。

图10 乙烯精馏塔最大应力与最大变形随时间的变化曲线

根据风速10～50 m/s情况下乙烯精馏塔的塔体、裙座最大应力和塔顶最大变形的模拟结果，通过多项式拟合得到上述物理量随风速的变化关系，如式(3)、式(4)和式(5)所示，R2分别为0.998 8，0.999 6和0.998 7。拟合曲线如图11、图12和图13所示。

塔体最大应力随风速的变化关系为

Str=-2.699 06-1.812 62u+0.367 12u2-0.001 18u3

(3)

裙座最大应力随风速的变化关系为

Strq=-0.929 32-2.114 48u+0.303 03u2-0.001 35u3

(4)

最大变形随风速的变化关系为

Def=-11.729 59-9.897 98u+1.844 06u2-0.008 25u3

(5)

由于塔体和裙座的建造材料不同，分别为SA203Gr.E和A-285Gr.C，屈服强度分别为300 MPa和245 MPa。乙烯精馏塔的最大应力点出现在塔体和裙座的连接点处，靠近塔体一侧，而裙座上部应力也相对较高，因此需要同时对出现在塔体底部的最大应力及裙座上部的最大应力进行校核。当塔体达到屈服极限300 MPa时，对照图11可以获得极限风速为33 m/s，而对照图12该风速下裙座的最大应力为210.8 MPa，未超过裙座材料A-285Gr.C的屈服极限，因此对于该乙烯精馏塔，达到屈服极限的瞬时风速为33 m/s。

为了保证塔设备内的化工工艺过程正常进行，必须把塔设备轴线的不垂直度控制在一定范围之内。国内对塔顶挠度的控制值通常规定为H/200。根据上述推算的达到屈服极限的瞬时风速33 m/s，对照图13可以获得该风速下乙烯精馏塔的最大变形为1 374 mm，已经不能保证乙烯精馏塔内的工艺过程正常进行。因此风速低于33 m/s，乙烯精馏塔的最大应力在屈服极限内，但塔顶挠度已经影响塔内工艺的正常运行，乙烯精馏塔正常运行的风速应低于18.5 m/s。

根据《钢制压力容器—分析设计标准》 (JB 4732—1995)[12]的C-1疲劳曲线，许用循环次数N>106。在该风速下，乙烯精馏塔不会发生疲劳破坏。

图11 乙烯精馏塔塔体最大应力随风速的变化曲线

图12 乙烯精馏塔裙座最大应力随风速的变化曲线

图13 乙烯精馏塔最大变形随风速的变化曲线

3 结论

(1)乙烯精馏塔的最大应力出现在迎风子午线与塔体及裙座的交汇点，也就是乙烯精馏塔塔体与裙座连接处的迎风点与背风点。在迎风子午线的裙座内侧也出现了应力集中点，略低于塔体底部应力。塔体应力随着高度的增加逐渐减小，塔顶处应力降至最低，降至0。乙烯精馏塔的最大变形出现在塔顶，并随着塔高逐渐减小，变形方向与风向相同。

(2)随着风速提高，乙烯精馏塔的最大应力和最大变形不断增大，但应力和变形的变化频率基本保持不变，乙烯精馏塔的顺风向变形均呈现类似一阶振型的变化，即使增大风速，乙烯精馏塔在顺风向也不会发生高阶振型的振动变化。塔体最大应力、裙座最大应力和塔顶变形随风速呈多次多项式的变化关系。

(3)通过对乙烯精馏塔的可靠性评估，根据当地气相条件，认为乙烯精馏塔的共振只考虑前四阶共振即可。根据乙烯精馏塔材料的屈服极限，认为乙烯精馏塔在低于33 m/s(12级风)的风速下较为安全，但超过18.5 m/s(8级风)后乙烯精馏塔的挠度超过塔设备正常运行的许用挠度，对乙烯精馏塔的正常运行造成影响。同时，应根据台风的即时风速对乙烯精馏塔进行疲劳分析，判断疲劳寿命。