管殼換熱器換熱管失效分析

王 軍，呂林君，王良初，陸水龍

（1.紹興市特種設備檢測院，浙江紹興 312071；2.浙江新和成特種材料有限公司，浙江紹興 312369）

0 引言

換熱器是在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現熱量傳遞的一類容器。其中，管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種材料制造，能適應各種復雜工況和工藝過程的使用，是目前化工企業生產中應用最廣泛的類型。

由于換熱器的工況多種多樣，換熱器失效時有發生，對生產安全造成了一定的影響。管殼換熱器規范以GB/T 151—2014《熱交換器》為基礎，通常是以常規設計為主，設計資料一直未將管束振動等計算列入。但是，由于換熱器發生管束振動，造成設備失效乃至停產停運的事故仍不時有報道[1]。尤其是由于流體誘發振動引發的換熱管破壞，成為常見的破壞原因，也是國內外研究的一個焦點。

值得注意的是，在很多強化傳熱的研究中，換熱管在適當范圍內的振動可以造成一定的擾流作用，而最常用的方法就是增大介質的流速，有些采取減少固定約束，造成管束的振幅加大。但是，考慮到換熱管是撓性部件，當殼程介質橫流速度達到臨界值，換熱管就有產生共振的風險[2]，從而引起換熱管的變形破壞等。管殼換熱器中管束有成百上千個，破壞往往發生在局部，因此橫流速度最大區域的管子，成為破壞的起點。因此在出現換熱管破壞的案例中，需要特別注意這些區域的換熱管。

1 故障概況

圖1 換熱管布置

表1 換熱器主要參數

該換熱器投用6 個月之后，因廠內工藝需要，并聯的同結構同參數的換熱器停用。設備繼續運行3 個多月之后，發現殼程導熱油高位槽介質中產生白霧，初步判斷導熱油系統中有不明來源的帶水汽介質混入。隨即使用單位緊急停產，進行故障排查，發現有7根換熱管開裂（圖2）。隨即對開裂的換熱管實施抽管作業，進一步分析原因。

圖2 換熱管開裂

圖3 換熱管金相組織

2 檢測分析

2.1 外觀檢查

將抽出的換熱管進行外觀檢查，7 根管子均產生1 條貫穿的裂紋，成不規則環狀，分布于換熱管的端部，其位置距離下管板內側約10 cm?？拷鸭y端部，可見長度22～25 mm 粗短節，其長度與管板厚度相同，系采用脹管工藝產生的正常塑性變形。個別裂紋閉合，肉眼難以識別，在拉彎作用下才可分辨開口。開裂的換熱管外部其余部分沒有出現明顯的變形、腐蝕等損傷。

2.2 材料檢查

為了確認換熱管材料，采用布魯克便攜式合金分析儀對發生開裂的材料進行元素分析，分析結果見表2。元素成分符合304#材料的成分要求，經與出廠資料進行對比，材料不存在用錯混用等異常情況。

表2 換熱管成分分析

2.3 金相檢測

按照GB/T 4334—2020《晶間腐蝕試驗》的要求，在實驗室條件下，對換熱管進行金相檢驗，分析其微觀結構。微觀形貌顯示奧氏體晶界平直，無腐蝕溝，晶粒呈臺階狀，為一類階梯組織，是換熱管正常的金相組織，說明管道材料并未發生變化。經材料分析及金相檢測，基本可以排除材料存在問題。

3 流體誘發振動校核

由于發生破裂的管子集中處于導熱油出口部位，在折流板的作用下，導熱油產生明顯的橫向流動，管子在該部位存在較大橫流速度，且在破壞前由于工藝變化，導熱油流量的突增導致橫流速度加大。因此需要考慮工況改變導致管束的振動情況，特別是注意到類似設備曾發生過類似問題，且在設計資料中同樣未按照GB/T 151—2014 附錄C 進行流體流體誘發振動校核[3]，故而按照產品制造標準GB/T 151—2014 進行校核。

3.1 模型構建

根據換熱器的技術資料，按照使用工藝，對換熱器主要影響計算的結構進行詳細分解，建立計算模型（圖4）。

3.2 主要參數確定

熱交換器殼體內徑D 為0.8 m，換熱管外徑d 為0.019 m，壁厚0.00 20 m，管孔中心距s 為0.025 m，正三角形排列，管長6 m，兩管板內側間距為5.877 m，折流板厚tb為0.008 m。折流板布置見圖4。

3.3 橫流速度

對主要參數的確定。通過對換熱管布置的分析及計算，換熱管各列總間隙0.15～0.23 mm，在最小間隙處橫流速度最大。按照廠方提供的操作參數，導熱油正常流量達到211 680 kg/h 時，熱交換器進口處的橫流速度可達到0.997 m/s，熱交換器出口處的橫流速度可達到0.839 m/s，折流板間的橫流速度可達到0.638 m/s。

3.4 卡門旋渦頻率fv1

經計算，進口處的卡門旋渦頻率為11.80 Hz 出口處的卡門旋渦頻率為9.93 Hz，折流板間的卡門旋渦頻率為7.58 Hz。

3.5 換熱管固有頻率f1

換熱管剛性在折流板缺口處最差，估算換熱管一階固有頻率，導熱油進口側為20.32 Hz，導熱油出口側為19.27 Hz。

3.6 臨界橫流速度

流動角為30°，節徑比為1.32 的管束，在已知換熱管的對數衰減率為0.03 的情況下，可以得到臨界橫流速度為0.485 m/s。

3.7 振幅計算y

通過計算可得熱交換器進口處的振幅最大達到0.000 77 m，換熱器出口處的振幅最大達到0.000 49 m，折流板間的振幅最大為0.000 28 m。正常情況下，一般振幅應不大于0.02 d0，在該換熱器中，換熱管允許的振幅為0.000 38 m，可見換熱器進出口位置換熱管的振幅已經超過推薦允許值。

3.8 流體誘發振動判定

由于熱交換器進口處的橫流速度V1=0.997 m/s>臨界橫流速度VC1=0.485 m/s；熱交換器出口處的橫流速度V1=0.839 m/s>臨界橫流速度VC1=0.485 m/s；折流板間的橫流速度V2=0.638 m/s>臨界橫流速度VC1=0.485 m/s 可以得知，除了在折流板間外，換熱器進出口處的最大振幅已經超過推薦允許的振幅，意味著換熱管出現了超過允許的振動，流體誘發振動最終導致換熱管開裂。

4 原因分析

導熱油流動在穿過換熱管時，換熱管可以看作是兩段固定的細長梁，流動帶來了本身具有彈性的換熱管產生位置偏移，從而產生流體誘發振動。殼程導熱油流速的適當增加，增加了導熱油的紊流場，有利于傳熱效率的提升。流量的激增導致導熱油穿過換熱管的橫向流速度增大，導熱油誘發振動的頻率與換熱管的固有頻率處于敏感范圍，換熱管的振幅激增。由于換熱器管束是撓性部件，振動無可避免，振幅處于敏感區促使換熱管產生周期性的大振幅振動。由于殼程進出口是速度最大的區域，管板處由于受到管板的約束，受力情況更加復雜，因此靠近管板處也最易發生流體誘發振動的區域。

在本案例中，管道產生誘發振動的原因是由于工藝變化導致了橫流速度的大幅增加，導致換熱管的一階固有頻率與導熱油的卡門旋渦頻率達到可以產生流體誘發振動的敏感區域，同時從振幅可以看出，換熱管已經產生了高振幅的振動，換熱管在流體誘發振動的作用下，在速度最大的導熱油進出口處，換熱管工況最為惡劣，成為易發生開裂的區域。

5 應對措施

根據振動產生的原因，可以采取的防振措施主要有：①通過設置進口旁通等分流措施，改變導熱油的流量，進而進一步降低流過換熱管的橫流速度；②在將換熱管與周圍換熱管設置夾、增楔形物、平直插等增加管子剛性，改變管子支撐，通過改變換熱管的固有頻率來避免產生流體誘發振動；③改變折流板的形式與布置，用雙弓形折流板、三弓形折流板代替單弓形折流板等；④在兼顧工藝的條件下，減小換熱管的跨距，從而增大換熱管的固有頻率。

6 結束語

盡管多年以來，GB/T 151—2014《熱交換器》已經將流體誘發振動的設計列入，但是并未強制要求在設計中予以明確。在大跨距及流體混合可能產生嚴重后果的換熱器設計中，應當明確最大流量，最大限度降低發生流體誘發振動的影響。