管殼式換熱器振動分析和預防

謝思遙 中國石化長嶺分公司

一、振動機理研究進展

（一）卡門漩渦

當流體橫掠換熱管時，如果流動雷諾數(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，會產(chǎn)生一個垂直于流動方向的升力，升力的交替變化，導致圓管沿流體流動方向垂直的振動。

（二）湍流抖振（紊流抖振）

當換熱器內(nèi)流體流動的雷諾數(shù)Re＞4000時，流體出現(xiàn)湍流狀態(tài)，使管道內(nèi)流體產(chǎn)生脈動變化，紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷供給管子能量，當紊流脈動的主頻率與管子的固有頻率接近時，管子吸收能量并產(chǎn)生振動。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(fā)的振動不很規(guī)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(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定性激振的重要因素。

（三）聲振動

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

二、振動分析

在GB151 附錄C 及TEMA 標準中，均附有關(guān)于管束流致振動的計算公式及判定準則，但手工計算時計算量較大，目前國內(nèi)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(zhì)及傳熱協(xié)會開發(fā)的HTRI，及ASPENTECH 公司的EDR（整合自己公司開發(fā)的B-JAC 及收購的HTFS 而成）。

利用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，其傳熱系數(shù)與壓降模型基于大量實驗數(shù)據(jù)，是符合TEMA 標準的計算結(jié)果最為可靠的工具之一。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(guān)鍵部位進行全面的振動分析，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 進行更為精確的計算，從而判斷是否能通過。

三、減少振動的措施

（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，因此在設計中一般不會采用換材質(zhì)的方法來預防振動。當換熱管材質(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 實際上是增大換熱管的直徑或壁厚，但是這又不夠經(jīng)濟。以外徑分別為25mm 和19mm，壁厚為2mm 的換熱管為例計算，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%。因此在設計時還是應優(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)臨界橫流速度的計算公式分析，影響臨界橫流速度的因素比較復雜，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減小。但是這種方法會增加殼體的直徑，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）在殼程的進出口設置防沖擋板、增大殼程接管尺寸或者采用環(huán)形蒸汽入口、加設導流裝置等措施，減少蒸汽對管束的直接沖擊，可有效防止振動產(chǎn)生。

（2）在使用防沖擋板時，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)生振動現(xiàn)象。在此情況下，可采用防沖管進行消除，即增加部分空心或?qū)嵭牡墓苁谖锪线M口位置，從而分散物料對換熱管的沖擊，消除振動。

（3）通過在管束中設置縱向隔板可有效的消除聲振動。

四、結(jié)語

換熱器的振動機理是十分復雜的，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)和流動狀態(tài)等因素都有關(guān)系。設計人員應重視換熱器的振動分析，掌握引起管束振動的機理，據(jù)此找到引起振動的原因和消除振動措施。