流體誘導(dǎo)振動(dòng)引起換熱管斷裂分析

白翠翠，毛向敏

（山東華魯恒升化工股份有限公司， 山東 德州 253024）

換熱器是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備，在化工、煉油、熱力、食品、輕工、制藥、機(jī)械及其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在化工企業(yè)中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的15%～25%，煉油企業(yè)中，所占投資比例更大。換熱器的運(yùn)行狀況對(duì)整個(gè)化工裝置起著關(guān)鍵作用。本文以一臺(tái)U形管換熱器為例，分析在實(shí)際運(yùn)行中換熱管產(chǎn)生斷裂的原因及應(yīng)采取的改進(jìn)措施。

1 換熱器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 換熱管斷裂位置

2 設(shè)備運(yùn)行及換熱管斷裂情況

該換熱器在投入運(yùn)行一個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)管殼程有連通現(xiàn)象，車間操作人員反映設(shè)備運(yùn)行過程中存在異響，經(jīng)殼程水壓試驗(yàn)，確認(rèn)有1根換熱管出現(xiàn)泄漏（見圖1），隨后對(duì)斷裂的換熱管進(jìn)行堵管處理。運(yùn)行兩個(gè)月后，靠近第一次斷裂管附近又發(fā)現(xiàn)1根斷裂（見圖1），隨后對(duì)該設(shè)備進(jìn)行拆檢。

3 材料分析過程及結(jié)果

第一次斷裂的換熱管標(biāo)記為1#管，第二次斷裂的換熱管標(biāo)記為2#管，人工切斷一根完好換熱管標(biāo)記為3#管；隨后對(duì)1#管、2#管、3#管（見圖2）從材料及管束振動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 宏觀檢查

1#管的內(nèi)壁有一層結(jié)垢物（見圖3），2#管、3#管未見明顯結(jié)垢，原因是1#管斷裂時(shí)間較早，且未及時(shí)取出。

圖2 分析樣品

圖3

3.2 化學(xué)成分分析

對(duì)1#管、2#管、3#管進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表2：

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)3#管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3：

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 金相分析

對(duì)1#、2#管進(jìn)行金相分析，屬于正常奧氏體組織，晶粒度為5級(jí)。

3.5 硬度測(cè)試

對(duì)金相的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，1#、2#管硬度均屬正常。

3.6 斷口分析

3.6.1 宏觀斷口

1#管斷口相對(duì)較平整，隱約可見有放射狀紋路，按放射紋路收斂方向可判斷斷口的開始斷裂部位位于管子的外壁。

2#管斷口高低不平，斷口上有個(gè)相對(duì)陳舊的區(qū)域，可判斷此處為最先斷裂的區(qū)域。

圖4

3.7 X射線衍射分析

用X射線衍射儀對(duì)1#管內(nèi)的結(jié)垢物進(jìn)行分析，管內(nèi)結(jié)垢物主要為CaCO3和CaSO4。

4 管束振動(dòng)分析

4.1 計(jì)算依據(jù)

4.1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

換熱器為U形管式，1880根，U型管式，正方形排列，管口中心距S=25mm，殼體內(nèi)徑D=2200mm。殼程隔板、折流板、支持板厚度均為16mm。

4.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

4.1.3 流體誘發(fā)振動(dòng)分析

在管殼式換熱器殼程中，流體橫向流過管束時(shí)，流體誘發(fā)振動(dòng)主要有以下4種原因：

（1）卡門旋渦（有聲振動(dòng)或無聲振動(dòng)）

當(dāng)流體橫向流過傳熱管時(shí)，管子背面會(huì)產(chǎn)生卡門渦街。隨著卡門渦街的交替產(chǎn)生和脫落，使管子的兩側(cè)產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向周期性變化的激振力，傳熱管受到力的作用而發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)旋渦脫落頻率等于或者接近于傳熱管固有頻率時(shí)，管子發(fā)生共振。在橫向流中，卡門旋渦是管束振動(dòng)的主要原因之一。

（2）湍流抖振（有聲振動(dòng)或無聲振動(dòng)）

橫過管束的流體產(chǎn)生的湍流會(huì)使管子表面的流場(chǎng)壓力產(chǎn)生隨機(jī)性脈動(dòng)，從而使管子產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)湍流脈動(dòng)的主頻率與管子的固有頻率相近或相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。由于湍流抖振機(jī)理上缺乏對(duì)于液體介質(zhì)的論證，故現(xiàn)有公式只適用于氣體介質(zhì)。

（3）流體彈性不穩(wěn)定

流體彈性不穩(wěn)定是動(dòng)態(tài)的流體力與管子的運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果。當(dāng)流體彈性力對(duì)管子所做的功大于管束阻尼所消耗的功時(shí)，管子產(chǎn)生大振幅的振動(dòng)。橫流速度高時(shí)，流體彈性不穩(wěn)定是管束振動(dòng)的主要原因。

（4）聲振動(dòng)

當(dāng)殼程流體為氣體時(shí)，氣體的卡門旋渦頻率接近氣體聲學(xué)駐波頻率就會(huì)產(chǎn)生聲共振。此換熱器殼程介質(zhì)為水，因此不考慮聲振動(dòng)問題。

4.1.4 振動(dòng)判斷依據(jù)

（1）卡門旋渦激振判據(jù)

當(dāng)符合下列條件時(shí)，管束發(fā)生卡門旋渦激振：

式中：fv—卡門旋渦頻率；f1—換熱管固有頻率；yv—卡門旋渦激振時(shí)的最大振幅；d0—換熱管外徑。

（2）湍流抖振判據(jù)

當(dāng)符合下列條件時(shí)管束發(fā)生湍流抖振：

式中：ft—湍流抖振頻率；yt—湍流抖振時(shí)的最大振幅。

（3）流體彈性振動(dòng)判據(jù)

當(dāng)符合下列條件時(shí)管束發(fā)生流體彈性振動(dòng)：

V＞Vc

式中：V —橫流速度；Vc—臨界橫流速度。

4.1.5 根據(jù)計(jì)算得出以下結(jié)果（計(jì)算過程省略）

（1）換熱器進(jìn)口、出口、第一塊支持板與折流板間、折流板間卡門旋渦振幅與換熱管的固有頻率比值均大于0.5且卡門旋渦激振時(shí)的最大振幅大于0.38mm（0.02d0）。

（2）換熱器進(jìn)口、出口、第一塊支持板與折流板間、折流板間湍流抖振頻率與換熱管的固有頻率比值均大于0.5且換熱器進(jìn)口、第一塊支持板與折流板間湍流抖振時(shí)的最大振幅大于0.38mm（0.02d0）。

（3）換熱器進(jìn)口、出口、第一塊支持板與折流板間、折流板間的橫流速度均大于臨界橫流速度。

由4.1.5的計(jì)算結(jié)果可知，換熱器殼程冷卻水進(jìn)出入口、第一塊支持板與折流板之間會(huì)發(fā)生卡門旋渦激振、湍流抖振和流體彈性振動(dòng)，通常發(fā)生流體彈性振動(dòng)換熱管更容易損傷。

流體誘導(dǎo)振動(dòng)所引起的機(jī)械損傷主要有下列形式：

換熱管由于貼脹變形所引起的應(yīng)力在管子伸出管板的根部最大，使得該處的換熱管有斷裂的可能。

損壞部位：（1）外排U型管具有較低的固有頻率，對(duì)于流體誘導(dǎo)振動(dòng)的破壞更加敏感；（2）接管的進(jìn)出口區(qū)域由于流場(chǎng)的復(fù)雜，在受限制的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生局部的高速度，導(dǎo)致該處的換熱管更容易振動(dòng)損壞。

5 綜合分析

（1）換熱管的化學(xué)成分和拉伸性能及硬度均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；（2）換熱管的金相組織正常，1#管內(nèi)壁存在輕微的垢下腐蝕；（3）1#管和2#管的斷口均表現(xiàn)出典型的疲勞斷裂特征；（4）斷口表面腐蝕產(chǎn)物中主要有氧、氯和硫等元素存在；（5）殼程水垢主要為CaCO3和CaSO4；（6）振動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明：殼程冷卻水入口、第一塊支持板與折流板間存在發(fā)生管束振動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱管疲勞破壞的可能。

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合車間操作人員反映該設(shè)備運(yùn)行時(shí)存在異響的情況，可推斷換熱管斷裂的原因?yàn)楣苁黧w誘發(fā)的振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞破壞。

6 改進(jìn)措施

改變流速：減少殼程流量；改變折流板形式，但傳熱效率會(huì)改變。改變換熱管固有頻率：減小換熱管跨距，在折流板之間增設(shè)支撐，在二階陣型節(jié)點(diǎn)位置增設(shè)支撐等。

7 總結(jié)及建議

換熱器殼程流體橫向流過管束，在較高的流速下能取得較好的傳熱效果，反之，可能會(huì)誘發(fā)管子振動(dòng)或聲振動(dòng)，引起換熱管疲勞破壞、換熱管斷裂等，換熱器設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)預(yù)估發(fā)生振動(dòng)的可能性，采取措施，避免振動(dòng)的產(chǎn)生，將問題消除在初始階段。

◆參考文獻(xiàn)

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