管殼式換熱器振動(dòng)分析和預(yù)防

謝思遙 中國(guó)石化長(zhǎng)嶺分公司

一、振動(dòng)機(jī)理研究進(jìn)展

（一）卡門漩渦

當(dāng)流體橫掠換熱管時(shí)，如果流動(dòng)雷諾數(shù)大到一定程度，在其兩側(cè)的下游交替發(fā)生漩渦，形成周期性的漩渦尾流，稱為卡門漩渦。漩渦流致使圓管上的壓力分布呈周期性變化。圓管兩側(cè)由于靜壓不同，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的升力，升力的交替變化，導(dǎo)致圓管沿流體流動(dòng)方向垂直的振動(dòng)。

（二）湍流抖振（紊流抖振）

當(dāng)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re＞4000時(shí)，流體出現(xiàn)湍流狀態(tài)，使管道內(nèi)流體產(chǎn)生脈動(dòng)變化，紊流中脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)不斷供給管子能量，當(dāng)紊流脈動(dòng)的主頻率與管子的固有頻率接近時(shí)，管子吸收能量并產(chǎn)生振動(dòng)。紊流脈動(dòng)的頻率范圍較寬且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動(dòng)不很規(guī)律，較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因，而是產(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定性激振的重要因素。

（三）聲振動(dòng)

殼程流體是氣體時(shí)，較容易產(chǎn)生聲振動(dòng)。當(dāng)換熱器中管束的流體處在漩渦脫離狀態(tài)時(shí)，會(huì)引起管束振動(dòng)，在管束的周圍激起沿?fù)Q熱管徑向傳播的彈性波。這種駐波在管殼之間來回反射，形成一定的聲學(xué)駐波和機(jī)械波，當(dāng)卡門漩渦頻率與聲學(xué)駐波頻率之比在0.8～1.2 范圍內(nèi)時(shí)，可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲學(xué)共振和噪音。殼程流體是液體時(shí)，由于聲波在液體中傳播的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，難以形成聲學(xué)駐波，聲振動(dòng)基本不會(huì)產(chǎn)生。

二、振動(dòng)分析

在GB151 附錄C 及TEMA 標(biāo)準(zhǔn)中，均附有關(guān)于管束流致振動(dòng)的計(jì)算公式及判定準(zhǔn)則，但手工計(jì)算時(shí)計(jì)算量較大，目前國(guó)內(nèi)外各設(shè)計(jì)院和工程公司均使用軟件進(jìn)行流致振動(dòng)分析，國(guó)際上比較流行的計(jì)算程序有美國(guó)傳質(zhì)及傳熱協(xié)會(huì)開發(fā)的HTRI，及ASPENTECH 公司的EDR（整合自己公司開發(fā)的B-JAC 及收購(gòu)的HTFS 而成）。

利用HTRI 軟件可以很方便地進(jìn)行管殼式換熱器管束流致振動(dòng)分析，其傳熱系數(shù)與壓降模型基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是符合TEMA 標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果最為可靠的工具之一。HTRI-Xist 能夠在進(jìn)行熱工水力計(jì)算的同時(shí)，用多種實(shí)用的方法對(duì)換熱器關(guān)鍵部位進(jìn)行全面的振動(dòng)分析，分析結(jié)果較為可靠，但偏于保守；HTRI-Xvib 為三維有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，可以分析多階模態(tài)下單根傳熱管的流致振動(dòng)情況，分析結(jié)果較HTRI-Xist 更為精確。HTRI-Xist 分析通不過的情況，可采用HTRI-Xvib 進(jìn)行更為精確的計(jì)算，從而判斷是否能通過。

三、減少振動(dòng)的措施

（一）增加換熱管的固有頻率

根據(jù)換熱管的固有頻率計(jì)算公式分析，換熱管的固有頻率和管束的支撐跨距的平方成反比關(guān)系，因此減小跨距是最有效的方法；采用彈性模量較高的換熱管材質(zhì)也可以提高固有頻率，但由于換熱管材質(zhì)一般是根據(jù)管程流體的物性來選擇，因此在設(shè)計(jì)中一般不會(huì)采用換材質(zhì)的方法來預(yù)防振動(dòng)。當(dāng)換熱管材質(zhì)不變的情況下，還可以增大do4-di4 來增大固有頻率，通過公示轉(zhuǎn)換do4-di4=（do2+di2）（do2-di2）=（do2+di2）（do+di）（do-di）可以看出，增大do4-di4 實(shí)際上是增大換熱管的直徑或壁厚，但是這又不夠經(jīng)濟(jì)。以外徑分別為25mm 和19mm，壁厚為2mm 的換熱管為例計(jì)算，每立方米鋼材可以提供的換熱面積依次是0.379m2/m3 和0.559m2/m3，后者比前者的換熱面積增加47.5%。因此在設(shè)計(jì)時(shí)還是應(yīng)優(yōu)先選擇小外徑的換熱管。通過以上分析可以看出減小跨距是增加換熱管固有頻率的最經(jīng)濟(jì)和有效的方法。

（二）增大臨界橫流速度和減小殼程橫流速度

根據(jù)臨界橫流速度的計(jì)算公式分析，影響臨界橫流速度的因素比較復(fù)雜，需要綜合考量。

（1）增加換熱管的固有頻率是增大臨界橫流速度的有效方法。

（2）在換熱管的排列方式一定的情況下，增大臨界橫流速度可以通過增加節(jié)徑比S/d0 來實(shí)現(xiàn)，通常的做法是增加換熱管的間距，這樣，殼程橫流速度也同時(shí)減小。但是這種方法會(huì)增加殼體的直徑，在一定程度上增加生產(chǎn)成本。

（3）改變換熱管的排列方式對(duì)臨界橫流速度也有影響。一般情況下，60°的布管方式臨界橫流速度最大。

（4）減少殼程流量，采用雙殼程F 型換熱器，冷凝器可采用J21 型殼程；

（5）采用雙弓形或多弓形折流板或者窗口區(qū)不布管，增大殼程流體流通面積。

（三）其他防振措施

（1）在殼程的進(jìn)出口設(shè)置防沖擋板、增大殼程接管尺寸或者采用環(huán)形蒸汽入口、加設(shè)導(dǎo)流裝置等措施，減少蒸汽對(duì)管束的直接沖擊，可有效防止振動(dòng)產(chǎn)生。

（2）在使用防沖擋板時(shí)，由于物料在擋板的作用下流向擋板邊緣，使得擋板四周較近的管束受到物料沖擊作用較大，容易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。在此情況下，可采用防沖管進(jìn)行消除，即增加部分空心或?qū)嵭牡墓苁谖锪线M(jìn)口位置，從而分散物料對(duì)換熱管的沖擊，消除振動(dòng)。

（3）通過在管束中設(shè)置縱向隔板可有效的消除聲振動(dòng)。

四、結(jié)語

換熱器的振動(dòng)機(jī)理是十分復(fù)雜的，它和換熱器的管子材質(zhì)、管子排列方式、管間距、折流板間距、殼側(cè)流體性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)等因素都有關(guān)系。設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視換熱器的振動(dòng)分析，掌握引起管束振動(dòng)的機(jī)理，據(jù)此找到引起振動(dòng)的原因和消除振動(dòng)措施。