橫風向共振時塔的疲勞強度校核
摘要：對高徑比H/D>15且高度H>30m的塔器，裙座與下封頭對接焊縫連接處在橫風向共振的作用下，容易產生疲勞破壞，本文以某精製塔為例，依據NB/T47041-2014《塔式容器》標準及釋義，採用理論計算方法對焊縫處的交變應力強度幅進行計算，並建立有限元模型進行分析，應力分析計算結果和理論計算非常吻合，真實準確地對該焊縫的疲勞強度進行安全評定，並對不同焊縫高度的疲勞強度進行校核和對比，為高聳塔的設計提供參考。
關鍵詞：橫風向共振；應力分析；疲勞分析
Fatigue Strength Check of Towers in Crosswind Resonance
LIANG Qing-hai
(PetroChina North Engineering Design Co., Ltd. equipment room,Jilin Jilin 132002)
Abstract:In the case of the tower with high aspect ratio H / D> 15 and height H> 30m, the joint between the skirt and the lower head is prone to fatigue damage under the action of transverse wind resonance. In this paper, According to the standard and interpretation of NB / T47041-2014《tower container》, the theoretical calculation method is used to calculate the intensity of alternating stress at the weld, and the finite element model is established. The results of stress analysis are in good agreement with the theoretical calculation. The fatigue strength of the weld is evaluated accurately, and the fatigue strength of different welds is checked and compared, which can provide reference for the design of towers.
Key words:Cross wind resonance;Stress Analysis;Fatigue analysis
0 引言
塔式容器在風載荷作用下，氣流繞過塔體時，流體的動能和壓力相互轉換，形成漩渦，漩渦在塔體兩側交替增大和逸散，形成有規律的且分布為順時針和逆時針方向的漩渦尾流，被稱為卡曼渦街，塔體表面的狀況、塔體尺寸等因素綜合反映在雷諾數Re上，對氣流有一定的影響，漩渦的產生和逸散與雷諾數Re有關，當漩渦的脫落頻率與塔體的自振頻率相等時，塔體將發生共振，塔式容器共振時的風速稱為臨界風速。因此，NB/T47041-2014《塔式容器》標準中風載荷對塔設備的動力效應除了考慮順風向的載荷作用以外，對於H/D>15且H>30m的塔還應計算橫風向共振，當塔頂風速小於一階臨界風速時，不考慮塔器第一階陣型的振動，當塔頂風速大於等於一階臨界風速但小於二階臨界風速時，應考慮塔器第一階陣型的振動，當塔頂風速大於等於二階臨界風速時，除了考慮塔器第一階陣型的振動外還應考慮第二階陣型的振動。
針對此情況，本文運用解析法對某精製塔在第一階振型共振彎矩作用下的疲勞強度進行計算，並依據JB4732-1995《鋼製壓力容器—分析設計標準》(2005年確認)，採用有限元分析方法對裙座與下封頭對接焊縫的疲勞強度進行校核，真實準確地對該焊縫的疲勞強度進行安全評定。
1 設計參數和結構分析
1.1設計參數
設計基本參數如表1所示。
表1：設計參數
1.2結構分析
為了增加裙座筒體的抗彎截面慣性矩，減少混凝土基礎頂面的壓應力，裙座採用圓錐形裙座，裙座與下封頭對接焊縫結構簡圖如圖1所示，按照NB/T47041-2014《塔式容器》標準，焊縫高度應大於等於1.75倍裙座筒體厚度，按照標準要求，該焊縫高度至少為38.5mm，根據實際放樣，圖紙設計焊縫高度取74mm。
2 疲勞壽命分析
2.1理論計算
依據NB/T47041-2014《塔式容器》標準釋義以及該精製塔設計參數中的載荷數據，在橫風向共振組合彎矩的作用下，對該塔在與下封頭連接處筒體截面的疲勞壽命進行分析計算。
2.1.1交變應力強度幅計算
與下封頭連接處筒體截面的交變應力強度幅Salt
拉應力：
（1）
壓應力：
（2）
交變應力強度幅：
Salt=0.5（）=36.52 Mpa（3）
2.1.2疲勞壽命計算
與下封頭連接處筒體截面的交變應力強度幅Salt=36.52Mpa，筒體材料為S30403+Q345R,由JB4732-1995《鋼製壓力容器—分析設計標準》(2005年確認)中圖C-1和表C-1可知，許用循環次數N大於106次，自振周期T=2.6秒，自振頻率f1=0.3846Hz，因此疲勞壽命大於N/（3600f1）=106/(3600x0.3846)=722小時。
2.2有限元分析
有限元分析採用ANSYS16.2軟體，建立1/2模型對裙座與下封頭連接處進行有限元分析計算，對稱面施加對稱約束，裙座底部施加固定約束，僅考慮一種載荷工況：塔體自重+橫風向與順風向共振時的組合彎矩，計算應力值如圖2，圖3，圖4所示。
經過有限元分析計算，在與下封頭連接處筒體截面位置，受壓側應力均值為50.24Mpa,，如圖4所示，與理論計算值49.95 Mpa基本吻合。受拉側應力均值為21.89Mpa，如圖3所示，與理論計算值23.09 Mpa基本吻合。通過有限元分析計算與理論計算的比較，驗證了該應力分析計算的正確性。
圖4. 受壓側應力分布詳圖
摘要：對高徑比H/D>15且高度H>30m的塔器，裙座與下封頭對接焊縫連接處在橫風向共振的作用下，容易產生疲勞破壞，本文以某精製塔為例，依據NB/T47041-2014《塔式容器》標準及釋義，採用理論計算方法對焊縫處的交變應力強度幅進行計算，並建立有限元模型進行分析，應力分析計算結果和理論計算非常吻合，真實準確地對該焊縫的疲勞強度進行安全評定，並對不同焊縫高度的疲勞強度進行校核和對比，為高聳塔的設計提供參考。
關鍵詞：橫風向共振；應力分析；疲勞分析
Fatigue Strength Check of Towers in Crosswind Resonance
LIANG Qing-hai
(PetroChina North Engineering Design Co., Ltd. equipment room,Jilin Jilin 132002)
Abstract:In the case of the tower with high aspect ratio H / D> 15 and height H> 30m, the joint between the skirt and the lower head is prone to fatigue damage under the action of transverse wind resonance. In this paper, According to the standard and interpretation of NB / T47041-2014《tower container》, the theoretical calculation method is used to calculate the intensity of alternating stress at the weld, and the finite element model is established. The results of stress analysis are in good agreement with the theoretical calculation. The fatigue strength of the weld is evaluated accurately, and the fatigue strength of different welds is checked and compared, which can provide reference for the design of towers.
Key words:Cross wind resonance;Stress Analysis;Fatigue analysis
0 引言
塔式容器在風載荷作用下，氣流繞過塔體時，流體的動能和壓力相互轉換，形成漩渦，漩渦在塔體兩側交替增大和逸散，形成有規律的且分布為順時針和逆時針方向的漩渦尾流，被稱為卡曼渦街，塔體表面的狀況、塔體尺寸等因素綜合反映在雷諾數Re上，對氣流有一定的影響，漩渦的產生和逸散與雷諾數Re有關，當漩渦的脫落頻率與塔體的自振頻率相等時，塔體將發生共振，塔式容器共振時的風速稱為臨界風速。因此，NB/T47041-2014《塔式容器》標準中風載荷對塔設備的動力效應除了考慮順風向的載荷作用以外，對於H/D>15且H>30m的塔還應計算橫風向共振，當塔頂風速小於一階臨界風速時，不考慮塔器第一階陣型的振動，當塔頂風速大於等於一階臨界風速但小於二階臨界風速時，應考慮塔器第一階陣型的振動，當塔頂風速大於等於二階臨界風速時，除了考慮塔器第一階陣型的振動外還應考慮第二階陣型的振動。
針對此情況，本文運用解析法對某精製塔在第一階振型共振彎矩作用下的疲勞強度進行計算，並依據JB4732-1995《鋼製壓力容器—分析設計標準》(2005年確認)，採用有限元分析方法對裙座與下封頭對接焊縫的疲勞強度進行校核，真實準確地對該焊縫的疲勞強度進行安全評定。
1 設計參數和結構分析
1.1設計參數
設計基本參數如表1所示。
表1：設計參數
1.2結構分析
為了增加裙座筒體的抗彎截面慣性矩，減少混凝土基礎頂面的壓應力，裙座採用圓錐形裙座，裙座與下封頭對接焊縫結構簡圖如圖1所示，按照NB/T47041-2014《塔式容器》標準，焊縫高度應大於等於1.75倍裙座筒體厚度，按照標準要求，該焊縫高度至少為38.5mm，根據實際放樣，圖紙設計焊縫高度取74mm。
2 疲勞壽命分析
2.1理論計算
依據NB/T47041-2014《塔式容器》標準釋義以及該精製塔設計參數中的載荷數據，在橫風向共振組合彎矩的作用下，對該塔在與下封頭連接處筒體截面的疲勞壽命進行分析計算。
2.1.1交變應力強度幅計算
與下封頭連接處筒體截面的交變應力強度幅Salt
拉應力：
（1）
壓應力：
（2）
交變應力強度幅：
Salt=0.5（）=36.52 Mpa（3）
2.1.2疲勞壽命計算
與下封頭連接處筒體截面的交變應力強度幅Salt=36.52Mpa，筒體材料為S30403+Q345R,由JB4732-1995《鋼製壓力容器—分析設計標準》(2005年確認)中圖C-1和表C-1可知，許用循環次數N大於106次，自振周期T=2.6秒，自振頻率f1=0.3846Hz，因此疲勞壽命大於N/（3600f1）=106/(3600x0.3846)=722小時。
2.2有限元分析
有限元分析採用ANSYS16.2軟體，建立1/2模型對裙座與下封頭連接處進行有限元分析計算，對稱面施加對稱約束，裙座底部施加固定約束，僅考慮一種載荷工況：塔體自重+橫風向與順風向共振時的組合彎矩，計算應力值如圖2，圖3，圖4所示。
經過有限元分析計算，在與下封頭連接處筒體截面位置，受壓側應力均值為50.24Mpa,，如圖4所示，與理論計算值49.95 Mpa基本吻合。受拉側應力均值為21.89Mpa，如圖3所示，與理論計算值23.09 Mpa基本吻合。通過有限元分析計算與理論計算的比較，驗證了該應力分析計算的正確性。
圖5.
裙座與下封頭對接焊縫簡圖
圖6. 裙座與下封頭有限元應力分布詳圖
圖7. 受壓側應力分布詳圖
圖8. 受拉側應力分布詳圖
3 有限元分析的比較
針對不同高度的對接焊縫在設備自重和橫風向與順風向共振組合彎矩的作用下進行了計算，通過有限元分析計算的比較，可以看出，焊縫高度對該設備裙座與下封頭對接焊縫疲勞強度有很大的影響，最小焊縫高度為38.5mm時，裙座筒體與下封頭連接處出現幾何結構的不連續，應力集中比較明顯，存在很大的峰值應力，峰值應力的危害性在於可能導致疲勞裂紋或脆性斷裂。塔器的質量在疲勞校核計算過程中，起到平均應力的作用，真正起主導作用的是橫風向共振時的組合風彎矩。塔體橫風向共振時的組合風彎矩，應取橫風向和順風向共振彎矩的組合，其中順風向彎矩計算公式中的基本風壓，應取塔體共振時離地面10m處順風向的風壓值。除了本文中提到的焊縫疲勞校核以外，還應對塔底部截面，地腳螺栓，以及塔體的穩定性進行校核。
4 結論
按照NB/T47041-2014《塔式容器》標準的要求，對於H/D>15且H>30m的塔，還應進行塔的橫風向共振判別和校核計算，並提出由於橫風向共振失效的防範措施：裙座筒體與下封頭焊接接頭應盡量全焊透，焊縫表面應光滑，並與下封頭外表面圓滑過渡。裙座筒體與下封頭焊接接頭，均應按受壓元件的焊縫要求施焊，焊前的焊接工藝評定應按NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》進行，且應由考核合格的焊接壓力容器的焊工施焊。裙座筒體與下封頭焊接接頭，應進行100%表面無損檢測，I級合格，以及20%超聲檢測，II級合格。當設置擾流器時，應採用NB/T47041-2014《塔式容器》標準釋義中的螺旋形翅片式擾流器。在塔高二分之一以上部位不宜設置與其它直徑較小塔器連接的聯合平台，應為單獨的塔平台。塔平台、梯子及與塔相連接的主要管線應與塔體同期吊裝就位，若由於現場位置或其它原因無法同期吊裝就位，應在塔體安裝就位後，及時安裝塔平台、梯子及主要工藝管線，不允許裸塔長時間豎立。
參考文獻
[1] JB 4732-1995，鋼製壓力容器—分析設計標準[S].
[2]李建國.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M].北京：機械工業出版社，2003．
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[5]樓文娟，孫炳楠．風與結構的耦合作用及風振響應分析[J].工程力學. 2000(05)
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[8]顧明，葉豐．高層建築的橫風向激勵特性和計算模型的研究[J].土木工程學報. 2006(02)
作者簡介
梁慶海（1979—），男，漢族，吉林省吉林市人，工程師，從事壓力容器設計10年，主要研究方向：球罐整體分析設計，換熱器整體分析設計，塔器整體分析設計等等。
通訊地址：吉林市昌邑區通潭大路東端吉化經貿大廈5樓設備室
郵編：132002
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