列管式換熱器管束振動與控制

李煥秀

摘 要：該文分析了列管式換熱器管束振動產生的主要原因、影響因素及其對列管式換熱器產生的各種破壞性影響，相應提出了防止或者限制管束振動的措施。

關鍵詞：換熱器 管束振動 誘導振動

中圖分類號：TE965 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0066-02

列管式換熱器是化工生產中應用最廣泛的換熱器。使用中，管束振動影響正常工作、降低傳熱效率、產生強烈噪音，導致管子磨損、斷裂、流體泄漏，裝置停產。控制管束振動，對換熱器穩定運行具有重要意義。

1 列管式換熱器管束振動的產生

列管式換熱器的管束由多個折流板支撐，是一具有多個中間支點的彈性連續梁，具有多界離散固有頻率。當誘導振動頻率等于或者接近某一固有頻率時，就會產生共振。

1.1 殼程流體橫向掠過管子，產生渦流脫落

橫向掠過管子的流體到達管子時，在管子正面邊緣形成一個滯止點，流體動力轉換為流體壓力并與流體原來的壓力相疊加，產生一較高的壓力。當流體從這一點環繞管子邊界流到管子最寬的部分時，邊界層分離為兩股自由剪切流層，并在管子后面形成尾跡旋渦，如圖1所示。旋渦交替從管子兩側脫落，管子兩側流體壓力交替變化，使管子產生受迫振動。當渦流脫落頻率和管子某一固有頻率接近時，管束就產生強烈共振。

1.2 殼程流體彈性旋轉

當流體橫向繞過一排列管時，相鄰管子的力場相互作用，管子產生的彈性位移與作用在管子上的流體力交替地相互影響，使施加在管束上的力場發生震蕩，把能量傳遞給管子。如果殼程流體的繞流速度達到或者超過管子的臨界速度，管子在一個振動循環中從流體中吸取的能量超過管子阻尼消耗的能量，管子即處于不穩定狀態，產生強烈振動。

1.3 紊流抖振

換熱器殼程流體一般為湍流流體，在各個方向上都有頻率范圍很寬的隨機波動速度分量，流體流過管外時，這些湍流分量向管子傳遞能量，誘導管子產生隨機振動，形成紊流抖振。某一湍流速度分量的頻率等于或者接近于管子固有頻率時，會誘導管子共振。

2 管束振動的主要影響因素

2.1 阻尼

列管式換熱器中，主要有以下三種類型阻尼。

2.1.1 流體動力阻尼

殼程流體流過管束時，由于其粘性和壓力阻滯作用而引起。

（1）管子與流體之間存在摩擦阻力，導致管子振動能量損失，降低振動。

（2）管子振動使相鄰管子之間的流道寬度產生變化，引起流體流動狀態變化，被擠壓流體以與管子振動方向相反的力反作用于管子，消耗管子振動能量。

2.1.2 材料阻尼

管束振動時，管束本身變形消耗一部分振動能量而引起。

2.1.3 結構性阻尼

管束振動時，管子與折流板孔或支撐板孔之間以及管子與管板之間產生摩擦、碰撞而消耗一部分振動能量而引起。

阻尼消耗振動能量，減小管束振幅，保證換熱器平穩運行。總體而言，材料阻尼相對較小；殼程流體壓力較高時，流體動力阻尼占主要地位；殼程流體為低密度氣體或蒸汽時，結構性阻尼占主要地位。

2.2 管束節徑比與殼程流速

管束節徑比是換熱管中心距和換熱管外徑的比值。管束節徑比與殼程流速的大小直接決定了管束振動的主要誘因和振動強度。

管束節徑比比較大時，為旋渦脫落和尾跡形成提供了足夠空間，容易形成規律性的旋渦脫落。流體流速大小決定旋渦脫落頻率和旋渦脫落強度，直接影響管束振動的頻率和振幅。流速越大，管束振動頻率和振幅就越大。

節徑比比較小時，寬頻帶脈動湍流旋渦取代旋渦脫落，管子從頻率接近自身固有頻率的湍流分量中吸收能量產生振動。此時紊流抖振成為導致管束振動的主要因素。

節徑比比較小而流體流速較高時，則產生流體彈性旋轉。管子振幅隨流速增加而急劇增大，使管子相互碰撞而最終導致損壞。

2.3 沖擊角

沖擊角影響臨界橫流速度。列管式換熱器中，換熱管沖擊角有四種：30 °、60 °、90 °和45 °。其他條件不變的情況下，臨界橫流速度的大小次序依沖擊角的次序為：

45°>30°>60°>90°

從避免產生流體彈性旋轉角度考慮，換熱管應盡量避免采用正方形排列形式。

2.4 旁路流和漏流

列管式換熱器中，管束外層和殼體之間存在間隙，流體流過此間隙形成旁路流；另外，在折流板和殼體內徑之間、換熱管和折流板管孔之間、分程隔板與管束之間也存在間隙，流體流過這些間隙形成漏流。旁路流和漏流使殼程流體擾動加劇，使管束湍振加劇。同時，旁路流和漏流流速比較高，可能在局部產生共振。

3 管束振動對列管式換熱器的影響

（1）相鄰管子碰撞損壞。

（2）折流板管孔與管子產生摩擦，導致管子被切割破壞或折流板管孔磨損擴大甚至相鄰管孔被磨損洞穿。

（3）管子與管板之間的連接產生疲勞破壞。

（4）殼程流體為氣體時，產生過量聲學擾動，造成噪聲污染。

（5）殼側壓力降增大，增加能耗。

（6）管子發生疲勞破壞。

4 控制管束振動的措施

在設計、制造和使用列管式換熱器時，可采取以下措施控制管束振動。

（1）換熱器在額定工作條件下避免管子發生任何形式的共振。具體要求是：

a渦流脫落頻率fV不大于換熱管最低固有頻率的50%。

b紊流抖振主頻率不大于換熱管最低固有頻率的50%。

c殼程橫向流速不大于臨界橫流速度Vc。

d殼程流體為氣體時，任何振型的駐波頻率不處于以下范圍中：

0.8 fV << 1.2 fV

0.8 ft << 1.2 ft

（2）采取以下措施，降低殼程流速：

a減小殼程流體流量或者加大殼體尺寸。

b加大換熱管中心距。

c采用雙弓形折流板。

（3）在折流板之間及折流板窗口處安裝縱向解諧隔板，減小氣柱尺寸，增大駐波頻率，防止發生聲學共振。

（4）減小管子跨距長度，增大管子固有頻率，避免發生共振。

（5）用鋼絲捆緊管束、或者在外側管子之間插入木楔、將折流板和管子焊成一體，提高管束固有頻率，防止產生共振。

（6）增加折流板厚度、減小管子與折流板孔間隙、增大管子壁厚以增大阻尼。

（7）增大進口管直徑、安裝防沖板，降低殼程流體流速，減小流體干擾頻率和擾動強度。

（8）減少旁路流，降低流體擾動，防止管束產生局部共振：

a采用整體開窗折流板，消除旁路流，如圖2所示。

b采用密封帶結構，阻擋旁路流，如圖3所示。

（9）在換熱器內使用橡膠、木質材料、塑料等吸振材料，增加阻尼。endprint

摘 要：該文分析了列管式換熱器管束振動產生的主要原因、影響因素及其對列管式換熱器產生的各種破壞性影響，相應提出了防止或者限制管束振動的措施。

關鍵詞：換熱器 管束振動 誘導振動

中圖分類號：TE965 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0066-02

列管式換熱器是化工生產中應用最廣泛的換熱器。使用中，管束振動影響正常工作、降低傳熱效率、產生強烈噪音，導致管子磨損、斷裂、流體泄漏，裝置停產。控制管束振動，對換熱器穩定運行具有重要意義。

1 列管式換熱器管束振動的產生

列管式換熱器的管束由多個折流板支撐，是一具有多個中間支點的彈性連續梁，具有多界離散固有頻率。當誘導振動頻率等于或者接近某一固有頻率時，就會產生共振。

1.1 殼程流體橫向掠過管子，產生渦流脫落

橫向掠過管子的流體到達管子時，在管子正面邊緣形成一個滯止點，流體動力轉換為流體壓力并與流體原來的壓力相疊加，產生一較高的壓力。當流體從這一點環繞管子邊界流到管子最寬的部分時，邊界層分離為兩股自由剪切流層，并在管子后面形成尾跡旋渦，如圖1所示。旋渦交替從管子兩側脫落，管子兩側流體壓力交替變化，使管子產生受迫振動。當渦流脫落頻率和管子某一固有頻率接近時，管束就產生強烈共振。

1.2 殼程流體彈性旋轉

當流體橫向繞過一排列管時，相鄰管子的力場相互作用，管子產生的彈性位移與作用在管子上的流體力交替地相互影響，使施加在管束上的力場發生震蕩，把能量傳遞給管子。如果殼程流體的繞流速度達到或者超過管子的臨界速度，管子在一個振動循環中從流體中吸取的能量超過管子阻尼消耗的能量，管子即處于不穩定狀態，產生強烈振動。

1.3 紊流抖振

換熱器殼程流體一般為湍流流體，在各個方向上都有頻率范圍很寬的隨機波動速度分量，流體流過管外時，這些湍流分量向管子傳遞能量，誘導管子產生隨機振動，形成紊流抖振。某一湍流速度分量的頻率等于或者接近于管子固有頻率時，會誘導管子共振。

2 管束振動的主要影響因素

2.1 阻尼

列管式換熱器中，主要有以下三種類型阻尼。

2.1.1 流體動力阻尼

殼程流體流過管束時，由于其粘性和壓力阻滯作用而引起。

（1）管子與流體之間存在摩擦阻力，導致管子振動能量損失，降低振動。

（2）管子振動使相鄰管子之間的流道寬度產生變化，引起流體流動狀態變化，被擠壓流體以與管子振動方向相反的力反作用于管子，消耗管子振動能量。

2.1.2 材料阻尼

管束振動時，管束本身變形消耗一部分振動能量而引起。

2.1.3 結構性阻尼

管束振動時，管子與折流板孔或支撐板孔之間以及管子與管板之間產生摩擦、碰撞而消耗一部分振動能量而引起。

阻尼消耗振動能量，減小管束振幅，保證換熱器平穩運行。總體而言，材料阻尼相對較小；殼程流體壓力較高時，流體動力阻尼占主要地位；殼程流體為低密度氣體或蒸汽時，結構性阻尼占主要地位。

2.2 管束節徑比與殼程流速

管束節徑比是換熱管中心距和換熱管外徑的比值。管束節徑比與殼程流速的大小直接決定了管束振動的主要誘因和振動強度。

管束節徑比比較大時，為旋渦脫落和尾跡形成提供了足夠空間，容易形成規律性的旋渦脫落。流體流速大小決定旋渦脫落頻率和旋渦脫落強度，直接影響管束振動的頻率和振幅。流速越大，管束振動頻率和振幅就越大。

節徑比比較小時，寬頻帶脈動湍流旋渦取代旋渦脫落，管子從頻率接近自身固有頻率的湍流分量中吸收能量產生振動。此時紊流抖振成為導致管束振動的主要因素。

節徑比比較小而流體流速較高時，則產生流體彈性旋轉。管子振幅隨流速增加而急劇增大，使管子相互碰撞而最終導致損壞。

2.3 沖擊角

沖擊角影響臨界橫流速度。列管式換熱器中，換熱管沖擊角有四種：30 °、60 °、90 °和45 °。其他條件不變的情況下，臨界橫流速度的大小次序依沖擊角的次序為：

45°>30°>60°>90°

從避免產生流體彈性旋轉角度考慮，換熱管應盡量避免采用正方形排列形式。

2.4 旁路流和漏流

列管式換熱器中，管束外層和殼體之間存在間隙，流體流過此間隙形成旁路流；另外，在折流板和殼體內徑之間、換熱管和折流板管孔之間、分程隔板與管束之間也存在間隙，流體流過這些間隙形成漏流。旁路流和漏流使殼程流體擾動加劇，使管束湍振加劇。同時，旁路流和漏流流速比較高，可能在局部產生共振。

3 管束振動對列管式換熱器的影響

（1）相鄰管子碰撞損壞。

（2）折流板管孔與管子產生摩擦，導致管子被切割破壞或折流板管孔磨損擴大甚至相鄰管孔被磨損洞穿。

（3）管子與管板之間的連接產生疲勞破壞。

（4）殼程流體為氣體時，產生過量聲學擾動，造成噪聲污染。

（5）殼側壓力降增大，增加能耗。

（6）管子發生疲勞破壞。

4 控制管束振動的措施

在設計、制造和使用列管式換熱器時，可采取以下措施控制管束振動。

（1）換熱器在額定工作條件下避免管子發生任何形式的共振。具體要求是：

a渦流脫落頻率fV不大于換熱管最低固有頻率的50%。

b紊流抖振主頻率不大于換熱管最低固有頻率的50%。

c殼程橫向流速不大于臨界橫流速度Vc。

d殼程流體為氣體時，任何振型的駐波頻率不處于以下范圍中：

0.8 fV << 1.2 fV

0.8 ft << 1.2 ft

（2）采取以下措施，降低殼程流速：

a減小殼程流體流量或者加大殼體尺寸。

b加大換熱管中心距。

c采用雙弓形折流板。

（3）在折流板之間及折流板窗口處安裝縱向解諧隔板，減小氣柱尺寸，增大駐波頻率，防止發生聲學共振。

（4）減小管子跨距長度，增大管子固有頻率，避免發生共振。

（5）用鋼絲捆緊管束、或者在外側管子之間插入木楔、將折流板和管子焊成一體，提高管束固有頻率，防止產生共振。

（6）增加折流板厚度、減小管子與折流板孔間隙、增大管子壁厚以增大阻尼。

（7）增大進口管直徑、安裝防沖板，降低殼程流體流速，減小流體干擾頻率和擾動強度。

（8）減少旁路流，降低流體擾動，防止管束產生局部共振：

a采用整體開窗折流板，消除旁路流，如圖2所示。

b采用密封帶結構，阻擋旁路流，如圖3所示。

（9）在換熱器內使用橡膠、木質材料、塑料等吸振材料，增加阻尼。endprint

摘 要：該文分析了列管式換熱器管束振動產生的主要原因、影響因素及其對列管式換熱器產生的各種破壞性影響，相應提出了防止或者限制管束振動的措施。

關鍵詞：換熱器 管束振動 誘導振動

中圖分類號：TE965 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0066-02

列管式換熱器是化工生產中應用最廣泛的換熱器。使用中，管束振動影響正常工作、降低傳熱效率、產生強烈噪音，導致管子磨損、斷裂、流體泄漏，裝置停產。控制管束振動，對換熱器穩定運行具有重要意義。

1 列管式換熱器管束振動的產生

列管式換熱器的管束由多個折流板支撐，是一具有多個中間支點的彈性連續梁，具有多界離散固有頻率。當誘導振動頻率等于或者接近某一固有頻率時，就會產生共振。

1.1 殼程流體橫向掠過管子，產生渦流脫落

橫向掠過管子的流體到達管子時，在管子正面邊緣形成一個滯止點，流體動力轉換為流體壓力并與流體原來的壓力相疊加，產生一較高的壓力。當流體從這一點環繞管子邊界流到管子最寬的部分時，邊界層分離為兩股自由剪切流層，并在管子后面形成尾跡旋渦，如圖1所示。旋渦交替從管子兩側脫落，管子兩側流體壓力交替變化，使管子產生受迫振動。當渦流脫落頻率和管子某一固有頻率接近時，管束就產生強烈共振。

1.2 殼程流體彈性旋轉

當流體橫向繞過一排列管時，相鄰管子的力場相互作用，管子產生的彈性位移與作用在管子上的流體力交替地相互影響，使施加在管束上的力場發生震蕩，把能量傳遞給管子。如果殼程流體的繞流速度達到或者超過管子的臨界速度，管子在一個振動循環中從流體中吸取的能量超過管子阻尼消耗的能量，管子即處于不穩定狀態，產生強烈振動。

1.3 紊流抖振

換熱器殼程流體一般為湍流流體，在各個方向上都有頻率范圍很寬的隨機波動速度分量，流體流過管外時，這些湍流分量向管子傳遞能量，誘導管子產生隨機振動，形成紊流抖振。某一湍流速度分量的頻率等于或者接近于管子固有頻率時，會誘導管子共振。

2 管束振動的主要影響因素

2.1 阻尼

列管式換熱器中，主要有以下三種類型阻尼。

2.1.1 流體動力阻尼

殼程流體流過管束時，由于其粘性和壓力阻滯作用而引起。

（1）管子與流體之間存在摩擦阻力，導致管子振動能量損失，降低振動。

（2）管子振動使相鄰管子之間的流道寬度產生變化，引起流體流動狀態變化，被擠壓流體以與管子振動方向相反的力反作用于管子，消耗管子振動能量。

2.1.2 材料阻尼

管束振動時，管束本身變形消耗一部分振動能量而引起。

2.1.3 結構性阻尼

管束振動時，管子與折流板孔或支撐板孔之間以及管子與管板之間產生摩擦、碰撞而消耗一部分振動能量而引起。

阻尼消耗振動能量，減小管束振幅，保證換熱器平穩運行。總體而言，材料阻尼相對較小；殼程流體壓力較高時，流體動力阻尼占主要地位；殼程流體為低密度氣體或蒸汽時，結構性阻尼占主要地位。

2.2 管束節徑比與殼程流速

管束節徑比是換熱管中心距和換熱管外徑的比值。管束節徑比與殼程流速的大小直接決定了管束振動的主要誘因和振動強度。

管束節徑比比較大時，為旋渦脫落和尾跡形成提供了足夠空間，容易形成規律性的旋渦脫落。流體流速大小決定旋渦脫落頻率和旋渦脫落強度，直接影響管束振動的頻率和振幅。流速越大，管束振動頻率和振幅就越大。

節徑比比較小時，寬頻帶脈動湍流旋渦取代旋渦脫落，管子從頻率接近自身固有頻率的湍流分量中吸收能量產生振動。此時紊流抖振成為導致管束振動的主要因素。

節徑比比較小而流體流速較高時，則產生流體彈性旋轉。管子振幅隨流速增加而急劇增大，使管子相互碰撞而最終導致損壞。

2.3 沖擊角

沖擊角影響臨界橫流速度。列管式換熱器中，換熱管沖擊角有四種：30 °、60 °、90 °和45 °。其他條件不變的情況下，臨界橫流速度的大小次序依沖擊角的次序為：

45°>30°>60°>90°

從避免產生流體彈性旋轉角度考慮，換熱管應盡量避免采用正方形排列形式。

2.4 旁路流和漏流

列管式換熱器中，管束外層和殼體之間存在間隙，流體流過此間隙形成旁路流；另外，在折流板和殼體內徑之間、換熱管和折流板管孔之間、分程隔板與管束之間也存在間隙，流體流過這些間隙形成漏流。旁路流和漏流使殼程流體擾動加劇，使管束湍振加劇。同時，旁路流和漏流流速比較高，可能在局部產生共振。

3 管束振動對列管式換熱器的影響

（1）相鄰管子碰撞損壞。

（2）折流板管孔與管子產生摩擦，導致管子被切割破壞或折流板管孔磨損擴大甚至相鄰管孔被磨損洞穿。

（3）管子與管板之間的連接產生疲勞破壞。

（4）殼程流體為氣體時，產生過量聲學擾動，造成噪聲污染。

（5）殼側壓力降增大，增加能耗。

（6）管子發生疲勞破壞。

4 控制管束振動的措施

在設計、制造和使用列管式換熱器時，可采取以下措施控制管束振動。

（1）換熱器在額定工作條件下避免管子發生任何形式的共振。具體要求是：

a渦流脫落頻率fV不大于換熱管最低固有頻率的50%。

b紊流抖振主頻率不大于換熱管最低固有頻率的50%。

c殼程橫向流速不大于臨界橫流速度Vc。

d殼程流體為氣體時，任何振型的駐波頻率不處于以下范圍中：

0.8 fV << 1.2 fV

0.8 ft << 1.2 ft

（2）采取以下措施，降低殼程流速：

a減小殼程流體流量或者加大殼體尺寸。

b加大換熱管中心距。

c采用雙弓形折流板。

（3）在折流板之間及折流板窗口處安裝縱向解諧隔板，減小氣柱尺寸，增大駐波頻率，防止發生聲學共振。

（4）減小管子跨距長度，增大管子固有頻率，避免發生共振。

（5）用鋼絲捆緊管束、或者在外側管子之間插入木楔、將折流板和管子焊成一體，提高管束固有頻率，防止產生共振。

（6）增加折流板厚度、減小管子與折流板孔間隙、增大管子壁厚以增大阻尼。

（7）增大進口管直徑、安裝防沖板，降低殼程流體流速，減小流體干擾頻率和擾動強度。

（8）減少旁路流，降低流體擾動，防止管束產生局部共振：

a采用整體開窗折流板，消除旁路流，如圖2所示。

b采用密封帶結構，阻擋旁路流，如圖3所示。

（9）在換熱器內使用橡膠、木質材料、塑料等吸振材料，增加阻尼。endprint