管殼式換熱器振動分析和預(yù)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(yè)生產(chǎn)過程中，使用了大量的換熱設(shè)備，而其中管殼式換熱器最為常見，在化工裝置穩(wěn)定生產(chǎn)的過程中發(fā)揮了巨大的作用。但是在實際的檢修、維護過程中，由于經(jīng)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(wěn)運行。根據(jù)多年來化工行業(yè)的實際工作經(jīng)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(wěn)運行。

關(guān)鍵詞：換熱器;設(shè)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(fā)生相互撞擊并產(chǎn)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(chǎn)生交變應(yīng)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(yīng)力可導(dǎo)致?lián)Q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(yīng)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(nèi)部存在堵塞、結(jié)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(zhì)成分以及進出口壓差進行檢查就可以初步判定換熱器內(nèi)部堵塞、結(jié)垢以及泄漏的情況，發(fā)現(xiàn)壓力變化較大時，應(yīng)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(diào)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(fā)生。根據(jù)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(jīng)比較低，繼續(xù)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(jù)核算結(jié)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(jié)構(gòu)的調(diào)整會影響換熱器的面積余量，可以通過調(diào)整換熱管的長度使面積余量位于合適的范圍內(nèi)。

最終調(diào)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?qū)んw進行一定程度的保護，因此一旦發(fā)生破損，還會導(dǎo)致積水而引發(fā)器壁腐蝕，因此我們對于發(fā)現(xiàn)的破損部位必須及時修復(fù)，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(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(fù)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/do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。

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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)避免氫氣孔的產(chǎn)生因此我們需要在焊接前，對作業(yè)部位進行預(yù)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(xiàn)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(shè)置防沖擋板、增大殼程接管尺寸或者采用環(huán)形蒸汽人口、加設(shè)導(dǎo)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(shè)置縱向隔板可有效的消除聲振動。

結(jié)語

管殼式換熱器的振動一般為流體誘發(fā)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(wěn)定等引起換熱管的振動。因此，管殼式換熱器的設(shè)計需要對振動進行分析計算，特別是流體彈性不穩(wěn)定必須予以消除。在消除振動問題時，可采取結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整來降低殼程流體流速、加強管束的支撐等措施。另外，調(diào)整換熱器結(jié)構(gòu)尺寸時，需注意調(diào)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。