65 m高钢制排气筒消除横风向风振简析

65 m高钢制排气筒消除横风向风振简析

王志雅

（上海互联环保工程技术中心， 上海200086）

［摘  要］介绍某65 m高钢制排气筒发生以及消除横风向风振的实例，对照有关标准对原设计进行分析，总结排气筒发生及消除横风向风振的经验教训，可为自立式钢烟囱的建造提供一点借鉴。

［关键词］ 钢制排气筒；横风向风振；螺旋破风圈；设计计算

［中图分类号］TB 535⁺.1  ［文献标志码］B  ［文章编号］ 1004-9932（2015）02-0076-02

1 概  述

某65 m高钢制排气筒安装于南京化工园区，属于自立式钢烟囱，其结构尺寸如图1所示。排气筒没有保温内衬，从上至下各段尺寸及材质见表1。

图1  65 m高钢制排气筒结构示意

表1 排气筒从上至下各段尺寸及材质

排气筒的设计温度为350 ℃。排气筒安装地的设计风压为400 N/m²，环境空旷，周围没有影响风场的高大建筑物。

排气筒于2012年10月完成安装，2013年5、6月当地进入每年的多风季节，当地面风力持续达到4～5级时，排气筒多次出现有规则的大幅度晃动，单边晃动幅度达到220 mm，晃动方向大致垂直于风向。上述现象具有高重现性。经现场观察和视频分析，判断为典型的第一振型横风向风振，为背风向交替发生的旋涡脱落（卡门涡街）造成排气筒产生共振。横风向旋涡脱落共振可能导致排气筒结构破坏，进而危及所在区域的人员和财产的安全。

业主单位于2013年7月3日召开处置方案研究会议，与会单位一致同意排气筒设计制造商提出的在排气筒上方内径为2 m的筒体外表面加装螺旋破风圈的补救措施。按JB/T4710—2005《钢制塔式容器》标准释义以及GB50051—2002《烟囱设计规范》，破风圈用200 mm×6 mm扁钢预制成螺距为10 m的螺旋形，焊接在排气筒外表面，共有3道螺旋。排气筒加装破风圈的改造于当年8月完成。此后至今，虽然多次遭遇持续大风天气，排气筒再未出现明显的风振现象。

2  设计计算

由于排气筒从形状、结构及承受风、地震等外力载荷的情形来看相似于钢制塔式容器，设计者对钢制塔式容器的设计比较熟悉，同时钢制塔式容器的设计有较为成熟详细的电算程序，故设计者选用全国化工设备设计技术中心站组织编制的SW6软件进行强度计算，其计算依据为JB/T4710—2005《钢制塔式容器》。对于复合钢板的壁厚，输入数据为碳钢厚度，不包含不锈钢的厚度。事实上，采用SW6软件进行排气筒的设计计算，在各段筒体及裙座壁厚的校核、地震载荷及风载荷计算、地脚螺栓校核、横风向风振的判断等方面，都具有相当的准确性。

由SW6软件形成的排气筒计算书显示第一振型临界风速为9.50 m/s，设计风速为34.11 m/s，提示排气筒将会发生第一振型横风向共振。按JB/T4710—2005《钢制塔式容器》规定,当有横风向共振发生时，需要进行两个方向风弯矩合成后的强度校核，SW6软件会自动进行校核计算并给出是否合格的结论。但标准并未规定是否需要进一步考虑其他形式的失效（如疲劳），设计人员应根据工程经验自行作出处理。排气筒计算书虽然给出了校核合格的结果，但这仅指强度计算通过，并不表示可以排除其他形式破坏的可能。对于钢结构，横风向风振导致的破坏多数不是强度破坏，而可能是疲劳等其他形式的破坏。也许是设计者的疏忽，竟认为至此排气筒设计计算已经合格，没有进一步判断横风向风振的后果并考虑预防风振的措施，以致于设备出现危及安全的风振问题后，不得不回过头来采取加装破风圈的补救措施。

排气筒发生横风向风振时业主曾经测得地面风速为6.5 m/s，按此折算排气筒顶部风速为8.8 m/s，这与SW6计算书临界风速（第一振型）为9.5 m/s的结果比较接近。说明用SW6形成的排气筒计算书判断横风向风振的发生与否是比较可靠的。

从排气筒的用途和结构特点看，它其实就是自立式钢烟囱，其设计应满足GB50051—2002《烟囱设计规范》的相关规定。对于自立式钢烟囱，GB50051—2002《烟囱设计规范》规定：当烟囱的临界风速小于6～7 m/s 时，应设置破风圈；当烟囱的临界风速为7～13.4 m/s且小于设计风速，而用改变烟囱高度、直径和增加厚度等措施不经济时，也可设置破风圈。计算书得出临界风速（第一振型）为9.50 m/s，在7～13.4 m/s范围之内，而排气筒的高度或者直径不可能改变，如果增加排气筒壁厚显然非常不经济，此时只有选择设置破风圈最为经济可行。所以，该排气筒理应在设计阶段就设置破风圈，避免发生横风向风振后再实施加装破风圈的改造，从而避免因发生横风向风振造成的安全风险，以及因整改而发生的停产和额外施工的经济损失。

关于减缓或防止横风向风振的措施，JB/T4710—2005（标准释义）同GB50051—2002有着完全一致的表述，都推荐了轴向翅片和螺旋形翅片2种扰流器（或称破风圈），设置的位置也有相同的要求。对于轴向翅片的尺寸，两标准的数据相近；对于螺旋形翅片的尺寸，两标准的数据相同。此外，JB/T4710—2005是针对塔设备的结构特点来制定的，就风振而言，排气筒毕竟同塔器存在区别，例如塔器的内件以及操作物料对于塔体振动具有明显的阻尼作用，而排气筒则完全没有这些因素，也就是说排气筒更容易发生横风向风振，一旦发生其共振也会更剧烈。

更多内容请见《中氮肥》2015年第2期