試析管式換熱器振動分析和預防

張穎 齊增杰 趙慧玲

摘 要：目前，在石化領域中間壁式傳熱型管殼式換熱器備受大眾關注，通常被應用在真空至超高壓，低溫上升至高溫，且市場占有率達到了65%。當石化裝置規模迅速擴大，隨之管殼式換熱器順應市場需求規格也不斷變大，因此換熱器管束振動引發的換熱設施受損問題層出不窮，不光導致經濟效益下滑，同時也埋下了潛在的安全風險。基于此，換熱器設計中的振動解析與防振設計備受設計技術員的重點關注。

關鍵詞：管式換熱器;振動;分析;預防

通過實踐證明了管殼式換熱器管束振動基本原理與判斷依據，隨即提議了預防管束振動產生多樣化策略。并且利用換熱器核算軟件HTRI振動解析板塊，針對某漿料預熱器實施了振動模擬解析。經過了設計數據調節，最終可在設計時段完成預防振動產生。

一、分析管束形成振動的基本原理與判斷依據

通過實踐證實引發管束振動的誘因為垂直于管束橫向流引發振動。當下達成共識形成振動的基本原理為卡門旋渦、紊流抖動、流體彈性不平穩與聲共振。而引發管束振動起因非常繁雜，排除上述基本原理行業專家給出了射流不平穩與轉換、兩相流靜壓脈動、尾流擺動等，基于此，在設計過程中，無法針對引發振動的基本原理給出精準的研判。

二、降低管式換熱器振動預防策略

（一）提升換熱管固有頻率

按照換熱管固有頻率核算解析，換熱管固有頻率與管束支撐跨距平方成反比聯系，所以降低跨距為最直接的方式，且利用彈性模量較強的換熱管材料也能提升固有頻率，畢竟換熱管材料選用依據管程流體物性來決定，所以設計中無法利用替換材料完成預防振動。針對上述對比解析得出結論，縮小跨距是提高換熱管固有頻率最佳方式。然而，在設計管殼式換熱器中，降低跨距通常利用下述方式：第一，折流板之間距離縮小;第二，選用NTIW型換熱管排列模式，在窗口區域無管設置，從而使折流板全部撐起了換熱管，然而，此方式縮減了分布管區間，勢必增加了殼程直徑，從而提升了加工費用投入。第三，在U型管區域、折流板相互間及其殼程進口與出口位置添加支撐。

（二）提升臨界與降低殼程橫流速率

第一，提升臨界橫流速率最直接方式為提升換熱管固有頻率。第二，當換熱管排序固定狀況下，提升臨界橫流速率需利用提高節徑比S/do完成，常規操作為提升換熱管之間的距離，此時殼程橫流速率一并降低。然而，提升殼體直徑方式，實際上卻提升了費用投入。第三，臨界橫流速率會因轉換了換熱管排列模式產生影響。通常操作下，臨界橫流速率60°布管方法是最大數值。第四，降低殼程流量，雙殼程F型換熱器投入應用，而J21殼程為首選冷凝器。第五，增設殼程流體流通面積，可借助雙弓形或多弓形折流板，亦或窗口區間無設立布管。

（三）其它預防振動策略

第一，在殼程進口或出口設立防沖擋板，增設殼程接管規格，利用環形蒸汽入口，增添導流裝置等方法，減少蒸汽對管束撞擊，方才能預防振動發生。第二，設立防沖擋板過程中，相關原料在擋板影響下流到擋板邊角，造成緊貼擋板周圍管束遭受原料影響非常大，極易形成振動問題。因此，撤銷防沖管，之后提升部分空心或實心管束設立在原料進口，進一步緩解原料對于換熱管撞擊，減輕振動。第三，設立縱向隔板在管束中，最大程度減輕聲振動。

三、HTRI換熱器核算流程具體使用

首先，預測管束振動是極為繁雜的流程，需遵照振動數據代入判定公式來實現人為核算，無法順應設計相關需求。因此，人為核算已被精準換熱器核算軟件所替換，并產生了積極的影響。然而，HTRI換熱器核算軟件是由美國傳質及其傳熱協會研發，將振動解析板塊植入軟件中，可迅速預算出振動狀況，更有利于設計人員科學制定下一步計劃，減少振動原因干擾，研發出平穩性高的換熱器。

接下來主要針對苯二甲酸工廠某漿料預熱器設計舉例，深入解析減少振動具體策略。畢竟漿料壓力較大，同時需清洗，由于漿料按照管程，蒸汽按照殼程。且蒸汽量極大，優選了J21型換熱器。而換熱管優選了φ19 mm，排列角為30°，管中心間距為25mm，折流板距離550mm，單弓形折流板，且缺口保持37%，而防沖板設立在殼程入口。通過初期核算，換熱器直徑達到了1.1m，長度12m。高效換熱面積是773m。

然而，HTRI運轉數據顯示，第一，殼程流速臨界的入口與出口流速超標，第二，管束臨界流速入口80%超標，第三，支撐跨距不設置在出口。振動警告在振動報告中被標明的非常清楚。緊接著對換熱器設計數據實施微調，而采用不相同方案完成預防換熱器振動效果，當中縮減折流板距離為最高效辦法。

而在HTRI軟件發出警告時，只單純表明換熱器出現振動的可能性，無法完全認定會發生振動現象，則要通過大量數據核算來明確。但HTRI軟件只解析了單根管振動板塊，假設換熱管束劃分為三個極易出現振動區間，針對其中某管道采取了單根管振動解析，且此管道內無振動現象出現，最終可推算出整體換熱器無振動產生的結論。

針對案例中漿料采取預熱器振動解析，率先把折流板距離降低到500mm，致使出口不具備支撐跨距，且在準許最大數值范疇內，結果殼程入口流標超標警示無法消除。接下來不調節設計數據，需對極易形成振動區間的單根管作出詳盡的振動解析。最終振動判斷數據為：Gap Velocity/Critical Gap Velocity< 1，且Max Vortex Shedding Ampltude <換熱管凈距一半，即為3mm。

此時，需明確：HTRI具體振動分析結論與GB/T 151-2014判斷數據不相同，因此，在設計中需盡全力利用不同方案來減少振動警示。然而，在應用不同方案之后，依舊無法獲得理想效果或防振動投入較大，最終方才可經過具體振動解析來明確振動狀況。

總結

總而言之，換熱器振動基本原理非常繁瑣，其與換熱器管體原料、管束排序方法、管間距、折流板之間距離、殼側流體性質與流動狀況等息息相關。因此，匯總分析了引發管束振動的基本原理，更有利于掌控不同振動方式干擾原因，隨即給出不同防振策略。不僅如此，可利用換熱器軟件HTRI來核算振動解析板塊，針對某工廠中預熱器實施振動模擬解析，利用調節設計數據方案，可在設計時段預防振動的產生。基于此，設計工作人員需重點關注換熱器振動解析，充分了解引發管束振動的基本原理，以此為根本探尋引發振動起因與緩解振動策略。此外，需重視設施制作費用的投入，率先考慮性價比高的預防振動策略。

參考文獻：

[1]周浩楠，潘建華.管殼式換熱器管束振動失效研究[J].機械工程師，2020，（7）.

[2]鄒國信.管殼式換熱器換熱管穩定性問題研究[J].現代制造技術與裝備，2019，（6）.

[3]李進一.釜式重沸器U形管束優化設計[J].管道技術與設備.2020，（2）.