管殼式換熱器管束流致振動實例分析

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

流致振動會引起換熱器的額外壓力損失、噪聲和傳熱元件的破壞，迄今國內外的大型換熱器因振動而導致破壞的實例屢見不鮮，破壞程度十分驚人，已經引起世界各國的普遍重視。目前，管殼式換熱器管束的流致振動問題，已經成為換熱器設計人員需要重點考慮的問題之一。現就流致振動機理進行初步探討，并結合工程實踐，基于HTRI軟件，對設計過程中管束流致振動分析方法進行研究。

1 管殼式換熱器管束流致振動機理

管殼式換熱器內流體的運動十分復雜，有管束上的橫向流、軸向流、旁通流等；管束兩端的進出口有滯留區。各流路流體的流速和方向不斷地發生不規則的變化，使傳熱管處在不均勻的力場中，受到流體流動的各種激發力的作用，極易產生振動。當流致振動的頻率與換熱器的固有頻率接近時，換熱器就會產生強烈的振動。流致振動的機理可歸納為以下幾點。

1.1 卡門漩渦

當流體橫掠換熱管時，如果流動雷諾數大到一定程度，在其兩側的下游交替發生漩渦，形成周期性的漩渦尾流，致使圓管上的壓力分布也呈周期性變化。圓管兩側的靜壓不同，產生一個垂直于流動方向的升力，其大小與方向隨漩渦的脫落而不斷變化。正是由于這種升力的交替變化，導致圓管與流體流動方向垂直的振動。同樣，由于漩渦的脫落也使流動阻力發生交替性變化，從而導致圓管在流體流動方向上的振動。圓管的振動頻率與漩渦的脫落頻率有關，但理論上求解卡門漩渦頻率相當困難，工程實際中一般用Strouhal數來確定卡門漩渦的頻率。當管徑一定時，流速越大流體流致振動頻率越大；當卡門漩渦頻率接近或等于管子固有頻率時，就會產生強烈的振動。

1.2 紊流抖振

紊流抖振是一個由隨機力作用的衰減振動，管子僅在其固有頻率附近產生響應，振動的峰值出現在脈動力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。紊流脈動的頻率范圍較寬且具有很強的隨機性。由紊流抖振而誘發的振動不很規律，較少導致大范圍的共振響應。紊流抖振不是導致管子破壞的主要原因，而是產生流體彈性不穩定性激振的重要因素。

1.3 流體彈性不穩定性

換熱器內密集的管束中，任何一根管子的運動都會改變周圍的流場，流場的改變則使作用在管子上的流體發生相應的改變，從而進一步改變作用在管子上的流體力，這種流體力與彈性位移的相互作用就叫做流體彈性不穩定性，它一般是在已有其他機理誘發起管子運動的情況下產生的。其特點是，流體速度一旦超過某一臨界速度值并稍有增加時，振幅即有大幅度增加，若阻尼不太大時，形成的振幅將一直增大到管子互相碰撞。且這種振動在流體速度減小到遠低于初始速度時仍會持續。研究表明，流體速度較低時，振動可能由卡門漩渦或紊流抖振引起，而在速度較高區域，誘發振動主要是流體彈性不穩定性。

1.4 聲振動

當流體的激振頻率接近于換熱器內空氣柱振動的固有頻率時，就會在換熱器內產生聲共鳴。其產生的原因是，在一定條件下，卡門漩渦的漩渦脫離會激起室壁之間的某階駐波，這種駐波在管殼之間來回反射，不斷向外傳播能量，卡門漩渦卻不斷輸入能量。當卡門漩渦頻率與聲學駐波頻率之比在0.8～1.2范圍內時，氣室內可能產生強烈的聲學共振和噪音。當殼程流體是液體時，由于液體的音速極高，這種振動不會產生。

2 基于HTRI的管束振動分析

在國標GB151附錄E及TEMA標準中，均附有關于管束流致振動的計算公式及判定準則，標準中所附方法簡單，但手工計算時計算量比較大，并且需要查閱很多圖表，這樣造成了計算的復雜性，其準確性也很難把握，換熱器各個部位的流場情況也很難預測，導致手工計算十分困難。目前國內外各設計院和工程公司均使用軟件進行流致振動分析，國際上比較流行的計算程序有美國傳質及傳熱協會開發的HTRI，及ASPEN TECH公司的EDR(整合自己公司開發的B-JAC及收購的HTFS而成)。本文基于HTRI6.0軟件的Xist和Xvib模塊對管殼式換熱器管束流致振動進行分析和研究。

2.1 HTRI-Xist

HTRI-Xist可用于管殼式換熱器的設計、性能分析和模擬計算，在進行熱工水力計算的同時，用多種實用的方法對換熱器各關鍵部位進行全面的振動計算。Xist程序根據流致振動檢查邏輯流程(如圖1和圖2所示)，對換熱器中易于誘發振動的部位進行傳熱管的固有頻率和各種振動機理的激振頻率以及臨界流速等有關數據進行計算。

圖1 管束振動檢查邏輯流程圖

圖2 管束聲振動檢查邏輯流程圖

在邏輯流程圖1中，r1和r2檢查流體彈性不穩定性激振情況，r3、r4和r5檢查流體卡門漩渦情況，在HTRI 5.0及之前的版本中，Xist要進行紊流抖振的校核，包括紊流抖振頻率與管束固有頻率比值和紊流抖振振幅與傳熱管直徑比值兩步驟，而在HTRI6.0版本中，認為紊流抖振不是導致管子破壞的主要原因，因此已經不將紊流抖振列為檢查內容，但是在圖2聲振動的檢查過程中會進行計算并分析。

Xist的振動分析報告(Reports/Vibration)將計算結果主要分為換熱器進口、中間和出口區域三個部分，主要數據包括：

(1)管束跨距；

(2)管束跨距與TEMA允許最大無支撐長度的比值(TEMA允許最大無支撐長度由軟件根據傳熱管材料自動獲取)；

(3)傳熱管第一階固有頻率(最小值用+表示)；

(4)殼體聲頻(最小值用+表示)；

(5)窗口平行流，管束錯流和管束與殼體之間C流的流速；

(6)流體彈性不穩定性激振的檢查結果——平均錯流或B流和臨界錯流流速，作為對比，折流板邊緣處的錯流流速也給出；

(7)聲振動檢查結果——卡門漩渦和紊流抖振比率(與傳熱管固有頻率的比值)；

(8)單管振動校核——卡門漩渦比率，平行流振幅，錯流振幅，管間隙和錯流ρv2；

(9)管束進出口振動分析(指殼側流體，基于傳熱管第一階固有頻率)；

(10)殼側進出口相關參數。

Xist的分析基于經驗公式和實驗數據，預測結果較為保守。Xist振動分析報告顯示無流致振動問題時可認為該方案振動分析通過，當顯示有潛在的流體彈性不穩定性和卡門漩渦振動問題時，會在振動分析報告中將可能產生振動的數據項用星號注以標記，并在Runtime Messages中給出報警信息，此時應根據報警情況更改設計重新計算，或者采用Xvib模塊對危險區域單根傳熱管進行更為精確的計算和分析。

2.2 HTRI-Xvib

HTRI-Xvib程序為有限元結構分析軟件，計算引擎是由Ontario Hydro基于該公司H3DMAP程序的流致振動模型而開發的。Xvib的主要功能和特點有如下幾方面：

(1)進行換熱器管束中單根傳熱管的流致振動分析；

(2)應用三維結構有限元分析方法計算傳熱管固有頻率；

(3)可靈活地設定支撐位置和支撐類型；

(4)可用于分析直管和U形管(跨數可大于100)；

(5)評估流體彈性不穩定性激振和卡門漩渦流致振動情況；

(6)可計算高階模態并給出相關計算結果和振幅圖。

在Xist/Drawings/Tube layout中，右鍵點擊管束區域，點擊Show Xvib Velocity States，將危險區域的管束分為三種顏色——黃色、紅色和橙色，分別表示將管束進口流速、殼體進口流速和管束出口流速導入Xvib進行該傳熱管的振動分析。

右鍵點擊Tube layout中需要進行分析的傳熱管，點擊Create Xvib Case for Select Tube，將Xist中該傳熱管相關的熱工數據、結構數據和流速數據十分方便地導入到Xvib計算文件中，在HTRI5.0及之前的版本中，此處只可以導入熱工數據和結構數據，而各個跨距的流速數據需要用戶自行去Xist中提取輸入，非常繁瑣，HTRI6.0的這項改進，使得應用Xvib進行管束振動分析更為便捷。用戶也可以直接打開Xvib模塊，自行輸入所需參數進行分析，程序運行邏輯如圖3所示。

圖3 Xvib程序邏輯流程圖

Xvib計算報告給出各階固有頻率、間隙流速與臨界間隙流速的比值、最大卡門漩渦振幅及不同模態下的振幅圖等。HTRI公司認為，間隙流速與臨界間隙流速的比值小于1，可認為無流體彈性不穩定性激振問題；最大卡門漩渦振幅小于50%的管間隙可認為無卡門漩渦激振問題，如超出以上判定準則，可根據報告所示位置進行設計方案的調整并重新計算。

3 計算實例

3.1 Xist設計及分析

表1 某管殼式換熱器工藝設計參數

表1為某換熱器設計輸入參數，換熱器為BFU形式，其結構參數設計為：殼體內徑1 547 mm；換熱管材料為TP304L，尺寸為φ19.05×1.24 mm，管長7 578 mm；折流板為雙弓形，折流板缺口25%，折流板間距360 mm，進口折流板間距為812 mm；殼程進口設有防沖板。Xist計算結束后，在Runtime Messages中有如下報警信息：

Shell entrance velocity exceeds critical velocity，indicating a probability of fluidelastic instability and flow-induced vibration damage.If present, fluidelastic instability can lead to large amplitude vibration and tube damage.

在振動分析報告中，殼側進口流速標記星號，表明該流速已經超過了80%的臨界流速，可能存在流體彈性不穩定性振動問題。為了解決該問題，將進口折流板間距改為800 mm，運行軟件后報警消除，表明修改方案是可以接受的。

圖4 殼側與管束進口流速示意圖

3.2 Xivb分析方法

如圖4所示，殼側流速為殼體和防沖板之間的流速，而真正對管束振動起主要作用的是管束進口流速，筆者認為，Xist用殼側流速與臨界流速比值進行評判過于保守，因此用Xvib對進口折流板間距為812 mm的方案進行詳細的分析。右鍵點擊Xist/Drawings/Tube layout中紅色標記傳熱管，生成Xvib文件并運行，計算結果如表2所示。表2中間隙流速與臨界流速比值和最大卡門漩渦振幅均小于2.2節中所述判定準則，實例分析表明，Xist的分析結果偏保守，該設計方案無需調整進口折流板間距也是可以接受的。在Graphs/Tube Displacement中可以看到不同模態下的傳熱管各個位置的振幅，如圖5所示。

表2 管束振動情況采用Xivb法的計算結果

圖5 不同模態下傳熱管各個位置的振幅示意圖

4 結 語

基于HTRI軟件可以很方便地進行管殼式換熱器管束流致振動分析。HTRI-Xist能夠在進行熱工水力計算的同時，用多種實用的方法對換熱器關鍵部位進行全面的振動分析，分析結果較為可靠，但偏于保守；HTRI-Xvib為三維有限元結構分析軟件，可以分析多階模態下單根傳熱管的流致振動情況，分析結果較HTRI-Xist更為精確。HTRI-Xist分析通不過的情況，可采用HTRI-Xvib進行更為精確的計算，從而判斷是否能通過；此外，HTRI-Xvib還可以進行增加支撐條等其他管束支撐方案的流致振動分析。

參考文獻：

[1]陳紹元. 管殼式換熱器管子振動分析[J]. 石油化工設計，1997，14(2):23～31.

[2]程林. 換熱器內流體誘導振動[M]. 北京：科學出版社，2001.