大型折流桿式換熱器管束磨損的研究

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941）

大型折流桿式換熱器管束磨損的研究

劉元慶，曹登洪，王進，王飛，丁清越

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941）

折流桿式換熱器在國內的應用已近20年，多數折流桿式換熱器管束支撐結構的設計參考小尺寸換熱器試驗模型，但小尺寸模型的試驗數據存在一定局限性，不完全適用于大型折流桿換熱器管束支撐結構的設計。本文以國內某電廠大流量折流桿式換熱器管束振動磨損為例，研究分析大型折流桿換熱器支撐結構設計中存在的問題，并提出了優化和改進措施。

折流桿；換熱器；磨損；改進

折流桿式換熱器自上世紀七十年代問世以來，以其抗振性能好、換熱效率高而得到廣泛應用。折流桿換熱器殼側流體狀態為縱向流（或稱平行流），縱向流相比于橫向流對換熱管的激勵強度具有數量級的減弱，極大的降低了換熱管發生流體誘導振動的可能。然而，目前國內仍無針對折流桿式換熱器換熱管組件的設計方法和標準，大部分大流量折流桿換熱器支撐結構的設計是在小模型試驗參數的基礎上進行局部比例放大而來，換熱管折流桿支撐示意圖如圖1所示。由于大流量工況下換熱管組件的局部振動特性與小模型存在較大差異，這種的設計方法會導致大流量折流桿式換熱器的工程應用中出現換熱管振動磨損的問題。本文通過大型折流桿式換熱器管束組件振動磨損實例的分析、研究，優化大型折流桿式換熱器的設計方法。

1 管束磨損原因分析

1.1 管束磨損缺陷描述

2015年2月至10月，某電廠相繼發現2臺閉冷水系統的折流桿式換熱器換熱管嚴重磨損，大量換熱管局部壁厚減薄達40%以上，個別換熱管已出現穿孔，缺陷換熱管數量超過換熱管總數10%。某電廠大型折流桿換熱器的基本信息：折流桿式換熱器（尺寸φ1828mm×12000），管程流體介質為海水（流量5760m3/h，壓力1bar），殼程流體介質為除鹽水（流量3900m3/h，壓力6bar）。該換熱器傳熱管為鈦管，規格為φ25mm×0.5mm。傳熱管由52個奇偶數相隔（間距167mm）的折流圈和兩端的鈦—鋼復合管板支撐，折流桿與換熱管配合間隙0.5mm。折流圈由折流桿和一個環形圈組成，奇數折流桿為水平布置，偶數折流桿為垂直布置。折流桿材料為304不銹鋼，直徑5mm，折流桿最大跨度1693mm，最小跨度593mm。

統計發現近80%的缺陷換熱管分布在換熱器進出口區域。電廠分布從兩臺換熱器中拔取一根缺陷換熱管，并對換熱管缺陷形貌進行檢查分析。

圖1 換熱管折流桿支撐示意圖

圖2 缺陷管樣本1(左)、樣本2(右)

現場對拔取的兩根樣本缺陷管檢查，發現傳熱管表面缺陷形貌與折流桿形狀吻合，傳熱管表面磨損位置與折流桿所在位置吻合，折流桿表面對應傳熱管表面缺陷位置也存在明顯磨損痕跡，其中樣本2換熱管已穿孔。

1.2 管束磨損缺陷原因分析

磨損形態分析。為進一步明確換熱管、折流桿的相對振動方向，電廠對換熱管表面缺陷進行了電鏡掃描，電鏡掃描結果顯示損傷表面具有清晰的窄而淺的溝槽和明顯的擠壓變形特征，溝槽具有清晰的方向性。

圖3 缺陷管樣本1(左)、樣本2(右)電鏡掃描圖

樣本1如圖2（圖左右為換熱管長度方向），拔出傳熱管缺陷微觀形貌，缺陷位置有明顯的沿鈦管長度方向的摩擦痕跡，說明折流桿存在沿傳熱管長度方向的振動，磨損點位于換熱器中部區域。

樣本2如圖3（圖左右為換熱管長度方向），拔出傳熱管微觀形貌，缺陷位置有明顯垂直鈦管長度的摩擦痕跡，說明換熱管存在沿折流桿長度方向的振動。磨損點位于殼側入口區域，最大磨損點距離管板0.96m，磨損點均位于換熱管與折流桿支撐接觸位置；換熱器傳熱管缺陷分布圖4所示，可以看出有九組傳熱管的缺陷位置分布位于一根折流桿位置，拔出傳熱管表面缺陷形貌也與折流桿形狀吻合。說明換熱器管束存在折流桿對傳熱管局部支撐效果不佳，導致管束振動，傳熱管局部磨損。方框表示其位于同一行或同一列折流桿與傳熱管接觸位置。

圖4 換熱器磨損管在管板上的分布圖

損傷缺陷管數量統計結果顯示，80%的磨損管分布在換熱器殼側進出口1m范圍內。綜上，據換熱管表面磨損缺陷形貌判斷，換熱器殼側進出口區域換熱管在橫向流的作用下產生沿折流桿長度方向的振動，其他區域，折流桿在水流作用下產生沿換熱管長度方向的振動。

磨損原因分析。針對以上換熱管磨損的現象和分析，本文對折流桿的振動的原因進行了分析、研究。折流桿式換熱器的優點是將殼側流體狀態由橫流改為縱流，消除管束流體誘導振動。現有GB151中，核算換熱管是否發生流體誘導振動時，只考慮橫向流，折流桿換熱器殼側大部分橫流速度接近零，也有研究表明，縱向流引起換熱管振動的臨界流速是橫流臨界速度的60倍以上，所以，現有折流桿式換熱器設計上基本不考慮縱向流對換熱管的誘導振動。

雖然折流桿式換熱器殼側流體絕大部為縱向流，但在進出口部分介質仍為橫向流，在換熱管支撐效果不佳的情況下，此區域流體對換熱管的激振，也會引起換熱管的振動，從而引發換熱管與折流桿的磨損。樣本2位于換熱器殼側入口區域，說明換熱器殼側入口已出現較嚴重的換熱管振動磨損。折流桿換熱器殼側進出口區域，介質相對于換熱管的流動狀態都是橫流占主導，換熱管的振動核算可近似等效為折流板換熱器，參考GB151中折流板換熱器的標準進行核算，則核算結果安全裕度較高。換熱器原設計參考小模型試驗數據，認為折流桿換熱器設計中跨距167mm的兩組雙向折流桿支撐可等效成為跨距334mm的折流板支撐效果，因為兩組雙向折流桿在334mm的距離內實現了換熱管四個方向的限制。按照GB151附錄C核算，與某電廠相同參數的換熱器，支撐板間距為334mm是滿足振動核算要求的，但是GB151中也要求支撐板對換熱管的支撐寬度不小于10mm，實際上折流桿換熱器設計以雙向圓鋼支撐為點接觸，折流桿對換熱管的接觸面積遠不及折流板。某電廠折流桿式換熱器管束嚴重磨損說明，換熱器進出口區域將兩組雙向支撐桿的效果與一組折流板支撐效果進行等效的結果是不保守的。折流桿換熱器殼側進出口的橫流區域，要實現折流桿與折流板的等效，需要關注折流桿自身的剛度的加強。

折流桿式換熱器殼側流體相對于換熱管為縱流，但相對于折流桿仍是橫流，且折流桿跨度約1700mm，直徑5mm，折流桿整體剛度過小，固有頻率過低，折流桿沿流體方向無支撐，僅在上下方向與換熱管接觸。流體振動過程中折流桿易產生沿流體方向（換熱管長度方向）的振動，樣本1顯示換熱器中部區域已出現折流桿沿介質流道方向的振動，從而導致換熱管局部磨損。參考GB151附錄C對折流桿進行振動核算，結果顯示卡門渦旋頻率與折流桿固有頻率之比在1.26～10.35范圍內，遠大于評定準則0.5，不滿足GB151附錄C的管束振動判定準則。折流桿在換熱器中承受流體橫向沖刷，其流體誘發振動采用GB151進行計算，選取最長的折流桿（1693mm）和最短折流桿（593mm），按照轉角45°的排列形式進行計算。計算結果顯示折流桿的剛度過小，對換熱管的支撐效果差，設備運行狀態下會出現折流桿與管束振動磨損的情況，也進一步加劇了換熱器殼側進出口區域換熱管的振動磨損。折流桿與換熱管的支撐為點接觸，在換熱管或折流桿產生振動的情況下，容易發生振動—磨損—接觸間隙增大—振動加劇的惡性循環。從樣本1、樣本2換熱管缺陷形貌的電鏡掃描結果也證明此惡性循環已經發生。

2 優化和改進意見

根據以上原因分析，本文針對折流桿式換熱器提出以下優化和改進措施：優化換熱器殼側進出口區域換熱管橫流模型的振動計算；換熱器殼側介質流體為橫流。

在尚無其他成熟核算方法之前，可參考GB151附錄C，將此區域等效為折流板換熱器橫流模型進行換熱管振動計算。

提高折流桿的支撐剛度十分必要，可將折流桿修改為寬度大于10mm的鋼條，兩組圓鋼型折流桿雙向支撐等效為一組折流板的假設是不保守的。提高折流桿的剛度，減小折流桿跨度，考慮介質橫向沖擊折流桿的條件下，不產生振動，可參考GB151附錄C進行折流桿振動計算，將介質對折流桿的流體誘導振動等效為折流板換熱器的橫流模型；優化折流桿的布置，考慮到換熱器進出口區域仍是橫流狀態，折流桿對換熱管的支撐需要加強，可以采用進出口區域折流桿密度增加的方案。圓鋼型折流桿與換熱管接觸為點接觸不僅對換熱管的支撐效果差，且易出現磨損，改為鋼條后，增加了支撐寬度和接觸面積，支撐效果更佳。事件電廠已參考以上優化和改進意見對原換熱器進行了替代改進，改進后換熱器運行狀態良好，未出現管束磨損現象。

3 結語

綜上所述，折流桿式換熱器支撐結構設計不合理是導致管束出現嚴重磨問題的根本原因，具體表現在折流桿剛度不足、折流桿雙向支撐等效折流板支撐的假設不夠保守、換熱器殼側進出口區域折流桿對管束支約束不足、管束與折流桿的實際配合間隙過大等方面。

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