论文部分内容阅读
摘要：在石化装置设计中，钢结构框架是一种比较常见的结构类型?钢结构框架的优点：能提供较大的内部空间、设备布置方便、使用功能灵活等?近些年建设的石化工程中，高耸的装置框架大多采用钢结构框架方案?
关键词：钢结构框架;振动异常;石化装置
1装置概况?处治前振动测试及振动异常原因
1.1装置概况
中石化天津分公司45万t/年聚丙烯装置于2010年1月建成，装置多区循环反应器安装于聚合单元框架内，框架为钢结构?梁?柱采用热轧H型钢，平台铺钢质格栅板;装置高71m，共11层，其中11层平台标高为63.00m（地面标高为-0.30m）;钢质循环反应器长约65m，直径1.6-3.4m，净重425.2t，充水重989t，反应器支承于框架6层平台（标高33.0m）上;反应器和钢框架之间通过挡块进行限位，挡块共13组，每组4个?为了防止反应器与钢框架之间振动时冲击影响过大，在反应器底部和顶部共设置7个阻尼器作为缓冲?从试车开始，框架由下至上振动逐渐加强;在11层框架平台上，振感明显，振感强弱与生产负荷正相关;且阻尼器有被拉坏的情况，这一状况已影响到装置在预期寿命内的正常运行?为此，从2010年1月开始进行结构振动测试，分析引起较大振动的原因，至2012年8月设备大修期间框架处治完成。
1.2框架处治前振动测试
1.2.1结构动力特性测试
采用脉动法对结构动力特性进行测试?测量仪器采用工力所941B型拾振器和Dasp无线数据采集分析系统，每个通道均设有抗混叠低通滤波器，保证了采集数据的准确性?根据对振动测试记录进行自谱分析，得到结构前5阶振动频率，通过半功率带宽法计算得出结构第1阶阻尼比?测通过测试结果可以看出，框架水平振动能量主要集中在低阶振型内，框架水平方向振动基频分别为1.07Hz（南北向平动）和1.17Hz（东西向平动），框架阻尼比为6.2%-8.9%?钢框架阻尼比较高，表明循环反应器容器及其内部的物料运动反应对其支承钢框架结构动力特性有较明显的影响?
1.2.2振动响应测试反应器和框架
南北向的振动幅值较东西向大，框架振幅随高度增加而增大;框架标高63m处的南北向位移幅值为5.50mm;结构框架和反应器东西向振动的频率主要为1.03Hz和1.22Hz，南北向振动的频率主要为1.03Hz;框架受反应器的胁迫振动，反应器出料量和风力等外部激励对框架振动有影响?
1.3振动异常原因分析
根据实测的振动响应数值?振动时程波形和主要频率分布以及实测的结构自振频率特性，初步确定振动原因是由于多区循环反应器内部物料循环冲击容器内壁产生的激振频率与结构整体自振频率接近，从而引发了结构共振?反应器的第1阶激振频率（受单位时间内出料量?挡块紧固程度影响）约为1.0Hz，与框架南北向自振频率1.07Hz更为接近，框架南北向振动较东西向强烈?
2处治方案及分析
为避免反应器和支撑框架的共振，通过增加或减少钢框架竖向斜撑的方法改变框架自振频率，为此提出了两个减撑方案和一个加撑方案供分析比较?
2.1处治方案
处治方案有以下三个：
1）方案一，将1层（标高7m）以下的立面斜撑截断;
2）方案二，将1层和2层（标高13m）以下的立面斜撑截断;
3）方案三，在1，2，3，4平面内增设斜撑，重点加强框架标高33m以上南北向抗侧刚度，其中粗线条为新增斜撑，斜撑采用L160×12的双角钢和φ245×10圆钢管?
2.2振动响应分析
采用ANSYS软件建立振动计算模型，结构模型中的反应器?梁?柱和斜撑采用Beam单元，均按施工图中实际截面建模?反应器和框架之间的阻尼器采用Combin单元，挡块之间的相互作用采用弱弹簧模拟?所有构件均采用弹性材料类型?在计算时考虑阻尼，阻尼比采用实测得到的数据，通过计算得到相应的Rayleigh阻尼?钢材和混凝土的密度?重量以及强度均按照《钢结构设计规范》（GB50017—2003）及《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）选取，并计入了平台层?设备以及物料等自重?为了和实测时情况一致，不考虑各层平台上的均布活荷载?
3考虑钢结构防腐时需注意的问题
钢结构具有强度高、自重轻、施工快、塑性、韧性好等优点，但是易锈蚀、耐腐蚀差是其致命的缺点?生锈腐蚀会引起构件截面减小，承载力下降，尤其是腐蚀产生的“锈坑”将使钢结构的脆性破坏的可能性增大?生锈腐蚀影响钢结构的耐久性，使其维护费用增高?因此，在防腐方案选择时需慎重，在施工过程中也要严格按照防腐要求执行?在设计过程中，应注意细节，避免不必要的腐蚀情况?
（l）在本框架设计中，因水平力很大，垂直撑选择H型钢截面，而且垂直撑是跨层布置，平面外计算长度大于平面内计算长度，从受力角度看H型钢撑成90?放置?节点设计中，我们注意在型钢撑与柱的连接处设置排水孔，节点处在下雨季节不至于因长期积水而锈蚀?
（2）在结构垂直撑设计中，用圆钢截面代替常规的双角钢背对背截面，这也是出于防止钢结构腐蚀的考虑?在双角钢组合截面防腐施工时，在连接节点板处易出现防腐涂料涂刷不到位的情况，遇有雨水的侵蚀，节点板处连接便形成较严重的腐蚀，影响结构的安全性能，而用圆钢斜撑，可防止或有所避免?
结语
目前对由于支撑在结构上的长细比较大反应器内物料反应而引起框架过大振动的问题鲜有研究;由于反应器的振动受支撑条件?内部物料生产强度的影响，设备及工艺商无法提供其动力参数，这也成为此类结构抗振设计的难点，本文提出了合理处治方案，对减振效果作了实测?评价?
参考文献
[1]刘俊，梁辉，周保剑.关于石油化工装置钢结构框架安装技术分析[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（18）：153-154.
[2]李民，路遥，刘云.确保大型钢结构框架吊装垂直度的分析计算方法[J].石油工程建设，2018，44（03）：83-85.
[3]唐辉周.石油化工装置钢结构框架安装技术探讨[J].化工管理，2017（27）：124.
[4]邢芳，谷佳占.石化装置管廊施工方法——一种钢结构快速组装平台[J].化工管理，2018（22）：167-168.
[5]呼永奕，朱骥，潘宠平，周然，张大庆.石化装置钢结构框架振动异常原因及处治分析[J].建筑結构，2017，47（15）：59-64.
（作者单位：1.中海油石化工程有限公司;2.中国建筑第八工程局有限公司青岛分公司）
关键词：钢结构框架;振动异常;石化装置
1装置概况?处治前振动测试及振动异常原因
1.1装置概况
中石化天津分公司45万t/年聚丙烯装置于2010年1月建成，装置多区循环反应器安装于聚合单元框架内，框架为钢结构?梁?柱采用热轧H型钢，平台铺钢质格栅板;装置高71m，共11层，其中11层平台标高为63.00m（地面标高为-0.30m）;钢质循环反应器长约65m，直径1.6-3.4m，净重425.2t，充水重989t，反应器支承于框架6层平台（标高33.0m）上;反应器和钢框架之间通过挡块进行限位，挡块共13组，每组4个?为了防止反应器与钢框架之间振动时冲击影响过大，在反应器底部和顶部共设置7个阻尼器作为缓冲?从试车开始，框架由下至上振动逐渐加强;在11层框架平台上，振感明显，振感强弱与生产负荷正相关;且阻尼器有被拉坏的情况，这一状况已影响到装置在预期寿命内的正常运行?为此，从2010年1月开始进行结构振动测试，分析引起较大振动的原因，至2012年8月设备大修期间框架处治完成。
1.2框架处治前振动测试
1.2.1结构动力特性测试
采用脉动法对结构动力特性进行测试?测量仪器采用工力所941B型拾振器和Dasp无线数据采集分析系统，每个通道均设有抗混叠低通滤波器，保证了采集数据的准确性?根据对振动测试记录进行自谱分析，得到结构前5阶振动频率，通过半功率带宽法计算得出结构第1阶阻尼比?测通过测试结果可以看出，框架水平振动能量主要集中在低阶振型内，框架水平方向振动基频分别为1.07Hz（南北向平动）和1.17Hz（东西向平动），框架阻尼比为6.2%-8.9%?钢框架阻尼比较高，表明循环反应器容器及其内部的物料运动反应对其支承钢框架结构动力特性有较明显的影响?
1.2.2振动响应测试反应器和框架
南北向的振动幅值较东西向大，框架振幅随高度增加而增大;框架标高63m处的南北向位移幅值为5.50mm;结构框架和反应器东西向振动的频率主要为1.03Hz和1.22Hz，南北向振动的频率主要为1.03Hz;框架受反应器的胁迫振动，反应器出料量和风力等外部激励对框架振动有影响?
1.3振动异常原因分析
根据实测的振动响应数值?振动时程波形和主要频率分布以及实测的结构自振频率特性，初步确定振动原因是由于多区循环反应器内部物料循环冲击容器内壁产生的激振频率与结构整体自振频率接近，从而引发了结构共振?反应器的第1阶激振频率（受单位时间内出料量?挡块紧固程度影响）约为1.0Hz，与框架南北向自振频率1.07Hz更为接近，框架南北向振动较东西向强烈?
2处治方案及分析
为避免反应器和支撑框架的共振，通过增加或减少钢框架竖向斜撑的方法改变框架自振频率，为此提出了两个减撑方案和一个加撑方案供分析比较?
2.1处治方案
处治方案有以下三个：
1）方案一，将1层（标高7m）以下的立面斜撑截断;
2）方案二，将1层和2层（标高13m）以下的立面斜撑截断;
3）方案三，在1，2，3，4平面内增设斜撑，重点加强框架标高33m以上南北向抗侧刚度，其中粗线条为新增斜撑，斜撑采用L160×12的双角钢和φ245×10圆钢管?
2.2振动响应分析
采用ANSYS软件建立振动计算模型，结构模型中的反应器?梁?柱和斜撑采用Beam单元，均按施工图中实际截面建模?反应器和框架之间的阻尼器采用Combin单元，挡块之间的相互作用采用弱弹簧模拟?所有构件均采用弹性材料类型?在计算时考虑阻尼，阻尼比采用实测得到的数据，通过计算得到相应的Rayleigh阻尼?钢材和混凝土的密度?重量以及强度均按照《钢结构设计规范》（GB50017—2003）及《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）选取，并计入了平台层?设备以及物料等自重?为了和实测时情况一致，不考虑各层平台上的均布活荷载?
3考虑钢结构防腐时需注意的问题
钢结构具有强度高、自重轻、施工快、塑性、韧性好等优点，但是易锈蚀、耐腐蚀差是其致命的缺点?生锈腐蚀会引起构件截面减小，承载力下降，尤其是腐蚀产生的“锈坑”将使钢结构的脆性破坏的可能性增大?生锈腐蚀影响钢结构的耐久性，使其维护费用增高?因此，在防腐方案选择时需慎重，在施工过程中也要严格按照防腐要求执行?在设计过程中，应注意细节，避免不必要的腐蚀情况?
（l）在本框架设计中，因水平力很大，垂直撑选择H型钢截面，而且垂直撑是跨层布置，平面外计算长度大于平面内计算长度，从受力角度看H型钢撑成90?放置?节点设计中，我们注意在型钢撑与柱的连接处设置排水孔，节点处在下雨季节不至于因长期积水而锈蚀?
（2）在结构垂直撑设计中，用圆钢截面代替常规的双角钢背对背截面，这也是出于防止钢结构腐蚀的考虑?在双角钢组合截面防腐施工时，在连接节点板处易出现防腐涂料涂刷不到位的情况，遇有雨水的侵蚀，节点板处连接便形成较严重的腐蚀，影响结构的安全性能，而用圆钢斜撑，可防止或有所避免?
结语
目前对由于支撑在结构上的长细比较大反应器内物料反应而引起框架过大振动的问题鲜有研究;由于反应器的振动受支撑条件?内部物料生产强度的影响，设备及工艺商无法提供其动力参数，这也成为此类结构抗振设计的难点，本文提出了合理处治方案，对减振效果作了实测?评价?
参考文献
[1]刘俊，梁辉，周保剑.关于石油化工装置钢结构框架安装技术分析[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（18）：153-154.
[2]李民，路遥，刘云.确保大型钢结构框架吊装垂直度的分析计算方法[J].石油工程建设，2018，44（03）：83-85.
[3]唐辉周.石油化工装置钢结构框架安装技术探讨[J].化工管理，2017（27）：124.
[4]邢芳，谷佳占.石化装置管廊施工方法——一种钢结构快速组装平台[J].化工管理，2018（22）：167-168.
[5]呼永奕，朱骥，潘宠平，周然，张大庆.石化装置钢结构框架振动异常原因及处治分析[J].建筑結构，2017，47（15）：59-64.
（作者单位：1.中海油石化工程有限公司;2.中国建筑第八工程局有限公司青岛分公司）