管殼式換熱器振動分析和預防

楊洲

摘要：我國是一個能源大國，對能源的需求量不斷年增加。目前，化工企業生產過程中，使用了大量的換熱設備，而其中管殼式換熱器最為常見，在化工裝置穩定生產的過程中發揮了巨大的作用。但是在實際的檢修、維護過程中，由于經費、時間等限制，在一定程度上降低了換熱器的性能，降低了換熱效果，影響了裝置的平穩運行。根據多年來化工行業的實際工作經驗，對管殼式換熱器的檢修方法與維護措施進行論述，希望能夠有效提高換熱器檢修、維護效果，一定程度上推動裝置的高效、平穩運行。

關鍵詞：換熱器;設計;振動;措施;HTRI

引言

1振動的危害

換熱管的振動主要有以下危害：（1）管子與殼體、管子之間的碰撞。當換熱管的振幅比較大時，管子與殼體、相鄰換熱管之間會發生相互撞擊并產生磨損，使得換熱管管壁不斷減薄甚至穿孔、破裂。（2浙流板孔邊緣對換熱管的切割。換熱管在振動時，折流板孔邊緣不斷地“切割”換熱管，使換熱管的損傷、甚至破裂。（3）破壞換熱管和管板的連接。管子的振動會在換熱管與管板的連接處產生交變應力，容易造成焊接點開焊，或是脹薄段與管本體段的開裂。[4）加劇腐蝕、擴大材料缺陷。管子的振動時的交變應力可導致換熱管表面的膜層開裂以及脫落，加劇管子的腐蝕。另外，若材料在應力場中存在缺陷，或是存在間隙腐蝕，則振動很容易引起材料缺陷進一步的擴大。

2管殼式換熱器的主要維護措施

2.1壓力

換熱器內部存在堵塞、結垢以及泄漏等情況時，就會造成流體進出口壓力變化，因此定期對介質成分以及進出口壓差進行檢查就可以初步判定換熱器內部堵塞、結垢以及泄漏的情況，發現壓力變化較大時，應進一步進行分析，找出問題原因，繼而采取恰當措施進行處理。

2.2選型調整及最終選型

換熱器的振動的消除一般是降低殼程流體流速，或是加強管束的支撐來改變換熱管的固有頻率，使其處于臨界流速以下以及避免共振的發生。根據前述對換熱器的振動的計算分析，此例中，殼程流體流速已經比較低，繼續降低流速對消除振動的作用不太明顯，因此可考慮減小折流板的間距，以增強換熱管束的抗擾動能力。另外，由于殼程的阻力降要求≤50kPa，折流板的間距減小會使得殼程流體流速增加，進而加大殼程的阻力降以至于超過阻力降限值，因此需要根據核算結果適當增加換熱器的殼體直徑或是采取增大管間距等措施。另外，結構的調整會影響換熱器的面積余量，可以通過調整換熱管的長度使面積余量位于合適的范圍內。

最終調整后的的換熱器選型如下：BEM型、簡體直徑750mm，換熱管φ19×2mm，長度3.0m、689根，管間距25mm，管子30°排列。單弓形折流板，7塊、上下缺，折流板中心間距300mm。

2.3保溫

換熱器外部的保溫層能夠有效阻止熱量向外傳輸，這就能夠提高換熱器的傳熱效果，因此說保溫層的損壞會進一步降低換熱器的傳熱效率。此外，由于換熱器保溫層能夠對殼體進行一定程度的保護，因此一旦發生破損，還會導致積水而引發器壁腐蝕，因此我們對于發現的破損部位必須及時修復，減小不良影響。

2.4增大臨界橫流速度和減小殼程橫流速度

根據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徑比S/do來實現，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不布管，增大殼程流體流通面積。

2.5換管

由于換熱器大面積堵管會造成換熱效果的嚴重下滑，因此我們在適當情況下應考慮使用換管的檢修方法。在不嚴重的情況下，進行小面積換管時，我們可以使用特殊工具將泄漏管道拆除，而在大面積泄漏的情況下，我們應考慮到采購成本、安裝成本的因素，如果整體更換管束較為浪費，我們也可以大面積換管。大面積換管時，可以使用螺紋拉力式或液壓推進式拔管工具拉出管子，在清理板孔后，確保折流板孔以及板孔中心線仍舊對中，檢查合格后再進行穿管。

在換管過程中，我們應注意管道的硬度要低于管板的硬度，而且在封管時，除脹接外主要使用焊接方法，焊接過程中應避免氫氣孔的產生因此我們需要在焊接前，對作業部位進行預處理，保證管道清潔、空氣干燥、減少空氣中的濕氣比例，提高焊接效果。現階段，由于檢修周期的限制，裝置考慮到管束使用壽命、更換成本等因素，大面積換管極少采用，多為整體更換管束。

2.6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形蒸汽人口、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，容易產生振動現象。在此情況下，可采用防沖管進行消除，即增加部分空心或實心的管束在物料進口位置，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。

結語

管殼式換熱器的振動一般為流體誘發振動，殼程流體在橫流過管束時，在一定條件下會形成渦流脫落、湍流激振，或是流體彈性不穩定等引起換熱管的振動。因此，管殼式換熱器的設計需要對振動進行分析計算，特別是流體彈性不穩定必須予以消除。在消除振動問題時，可采取結構尺寸的調整來降低殼程流體流速、加強管束的支撐等措施。另外，調整換熱器結構尺寸時，需注意調整后換熱器需滿足工藝要求的阻力降、面積余量等限定條件。