核級換熱設(shè)備流致振動分析

葉泉流，王春霖，郎紅方，謝建華

(中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳518057)

0 引言

換熱器在核電站中應(yīng)用十分廣泛，隨著科技的發(fā)展與實踐經(jīng)驗的積累，一些綜合性能較好的換熱器類型也已經(jīng)開始在核電站中應(yīng)用。整圓形孔板縱流型管殼式換熱器就是其中之一，其非常大的一個優(yōu)點是減少換熱管束的流致振動。然而即使如此，流致振動依然會對該類型的換熱器帶來不小的影響，更由于核級設(shè)備在功能上的重要性，相關(guān)的要求也比較高，該問題便更加受到重視。本文從核級換熱設(shè)備的要求出發(fā)，以水－水無相變換熱整圓形孔板縱流管殼式換熱器為背景，對其在管束流致振動方面的問題進行了詳細分析，促進其在核電行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展。

1 機理分析

水－水無相變熱交換管殼式換熱器流致振動機理可分為:漩渦脫落、紊流抖振、流體彈性激振三個方面。

1.1 漩渦脫落

當流體橫掠換熱管時，雷諾數(shù)達到一定程度，管子背面兩側(cè)將產(chǎn)生周期性漩渦尾流，管束因漩渦脫落引起的振幅隨流體掠過管束流速的不同而不同，如圖1所示，流速較低時，振幅接近線性增大，隨后則呈現(xiàn)迅速上升的特性，當達到漩渦脫落流速Vv時，漩渦脫落頻率與換熱管固有頻率吻合，換熱管振動強烈，振幅達到第一個高峰，之后隨著流速的繼續(xù)增大，這種共振現(xiàn)象就會消失。

1.2 紊流抖振

紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷給管子能量，當其主頻率與管子固有頻率相近或相同時，管子吸收能量并產(chǎn)生振動。一般認為，管子間距較小時，紊流抖振的影響是主要的，并且其影響頻率范圍小于88 Hz［1］。因此，當所研究或校核換熱管段所在區(qū)域的固有頻率大于88 Hz時，不考慮紊流抖振的影響。

1.3 流體彈性激振

按照流體彈性激振的機理，處在流場中的物體會因為各種各樣的外界擾動而引起微小的振動，物體振動又引起流場的振蕩。振蕩流場對振動物體做正功，會使得振動加劇。如圖1，流速達到臨界橫流速度Vc時，振幅出現(xiàn)第二個高峰，該狀態(tài)主要由流體彈性失穩(wěn)引起。評估管束的流體彈性振動壽命主要是確定流體彈性的穩(wěn)定性邊界，一旦超出穩(wěn)定性邊界，則管子會發(fā)生劇烈振動而破壞。這些現(xiàn)象將會導(dǎo)致管束的巨大破壞。

圖1 管束振幅隨流速變化響應(yīng)圖

1.4 校核判據(jù)

為了避免這些現(xiàn)象，設(shè)計校核過程中需應(yīng)用如下判據(jù)［1－2］:

(1)當fn/fs＜2或fn/ftb＜2時，因漩渦脫落或紊流抖振引起的管束振動將會嚴重，此時需要計算管束振幅，并推薦將(因漩渦脫落或紊流抖振引起的)振幅控制在小于等于管外徑2%的范圍內(nèi);

其中:fn為管束的固有頻率;fs為漩渦分離頻率;ftb紊流抖振頻率。

(2)為了避免出現(xiàn)流體彈性失穩(wěn)，必須將橫流速度保持在臨界橫流速度Vc以下。

在滿足以上判據(jù)的情況下，換熱器在流致振動方面的設(shè)計才滿足安全要求，才能減小前文中提到的流體誘導(dǎo)振動的影響。

2 流體誘導(dǎo)振動分析

2.1 薄弱環(huán)節(jié)

整圓形孔板縱流管殼式換熱器，其殼側(cè)流體流向在大部分區(qū)域與管束軸向一致，除非流速特別高，一般可以不考慮其振動破壞影響，相反適當輕微的振動反而會強化傳熱。這些區(qū)域內(nèi)管束不需要再像弓形折流板換熱器那樣經(jīng)受流體橫掠或斜掠，提高了抗震性能。

然而盡管如此，還是會有部分區(qū)域經(jīng)受流體橫掠或斜掠，其管束振動的影響依然需要考慮。作為該類型換熱器流致振動方面的薄弱環(huán)節(jié)，針對不同的換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)分析如下:

(1)U型彎管段 該部分固有頻率低，對流體誘導(dǎo)振動較直管段敏感;

(2)殼側(cè)接管進出口區(qū)域 流體在殼側(cè)進出口區(qū)域依然橫掠管束;

(3)管板區(qū)域 該區(qū)域無支撐管跨距可能較長，導(dǎo)致管束固有頻率較低，且該區(qū)域是殼側(cè)接管進出口區(qū)域，為防止有害振動影響的重要區(qū)域;

(4)其他區(qū)域 如果有其他結(jié)構(gòu)，另行分析。

對于以上薄弱區(qū)域，應(yīng)該引起注意，需要進一步作流致振動影響的校核計算，以將振動頻率與振幅控制在校核判據(jù)的范圍內(nèi)。

2.2 校核計算

校核計算主要分為橫流參考速度、換熱管固有頻率、臨界流速、紊流抖振頻率及漩渦脫落頻率，下面提供相關(guān)的計算方法與過程。

2.2.1 橫流參考速度

橫流參考速度在計算漩渦脫落頻率、振幅等及與臨界流速的比較中均要用到，是流致振動分析方法中最重要的參數(shù)之一。橫流參考速度的計算需要分區(qū)域進行，即針對上述各薄弱環(huán)節(jié)分別計算間隙流速，并需考慮在各自區(qū)域中換熱管附近的最大流速作為各區(qū)域的橫流參考速度參數(shù)。

2.2.2 固有頻率

換熱管的固有頻率是一個很重要的參數(shù)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，有如下計算式［1］:

式中A——軸向應(yīng)力系數(shù);

C——管跨幾何形狀系數(shù);

E——換熱管材料彈性模量;

I——管子慣性矩;

l——無支撐管跨距;

ω0——單位長管子的有效重量;

Cu——U型管形式系數(shù);

R——U型管平均彎管半徑。

2.2.3 流體彈性失穩(wěn)

流體彈性激振是對換熱管破壞最嚴重的因素，臨界流速為［1］

式中d0——管子外徑;

D——臨界流速系數(shù)。

2.2.4 漩渦脫落誘導(dǎo)振動

由漩渦脫落引起的管束振動，伴隨著其頻率與換熱管固有頻率的接近或吻合而產(chǎn)生，漩渦脫落頻率計算式為［1］

式中V——橫流速度;

S——斯特哈羅數(shù)。

漩渦脫落引起換熱管振動的峰值振幅yvs計算式可表述如下［1，3］:

式中CL——升力系數(shù)。

2.2.5 紊流抖振

紊流抖振頻率表達式如下［1］:

pt——縱向的換熱管中心距;

pl——橫向的換熱管中心距。

換熱管紊流抖振峰值振幅ytb計算式［1，3］

式中CF——流體力系數(shù)。

通過以上計算過程，便可得到1.4節(jié)中提到的頻率fn、fs、ftb，振幅yvs、ytb、臨界流速Vc及橫流參考速度V，進而判斷所設(shè)計核級換熱設(shè)備在流致振動問題上是否滿足要求。

2.3 設(shè)計考慮

遇到設(shè)計的換熱器在校核過程中不通過的情況，或者在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，要對所設(shè)計換熱器進行改進。針對整圓形孔板縱流型管殼式換熱器，根據(jù)上述分析，可從以下幾方面考慮:(1)U型管彎管段增加支撐;(2)進出口區(qū)域應(yīng)降低流速，增加支撐或采用特殊支撐，設(shè)置導(dǎo)流筒等;(3)增加換熱管壁厚、管徑、管間距，選擇合適材料。

當然，還有其他方法可以解決上述問題，特殊問題特殊對待，這里不再展開。實際上，上述方法歸根結(jié)底就是要提高換熱管固有頻率，減小漩渦脫落與紊流抖振的頻率，減小橫流速度，提高臨界流速，以及減小換熱管振幅，使得換熱器回歸到設(shè)計與運行的安全邊界內(nèi)。

3 標準的改進與探討

TEMA標準在國內(nèi)外比較公認，使用比較廣泛，其內(nèi)容上的更新與改進值得關(guān)注。

在流致振動方面(同本文相關(guān)的)99版TEMA同88版TEMA［5］及99版GB151［2］相比主要是增加了V－11章，增加了漩渦脫落與紊流抖振引起的換熱管振幅公式，給出了相應(yīng)的系數(shù)參數(shù)表。TEMA標準推薦的計算公式(4)與式(6)分別根據(jù)受迫振動理論對受漩渦脫落機理控制的振動振幅及根據(jù)隨機振動理論對受紊流抖振機理控制的振動振幅兩種表達式簡化而得，其前提是流速為均勻分布，但實際上換熱器內(nèi)部流速分布十分復(fù)雜，局部區(qū)域的高流速將導(dǎo)致該區(qū)域管子的大振幅，具體的精確計算方法參見文獻［5］。

在此基礎(chǔ)上，99版TEMA V－11章中還給出了振幅控制范圍，并建議在頻率核算不通過時，再按照式(4)和式(6)計算振幅，在判據(jù)范圍內(nèi)則可視為安全。楊仁安等［6－7］在核電站熱交換器鈦傳熱管振動試驗研究中認為，在其試驗條件下，該判據(jù)的設(shè)定是適用的。此外，在應(yīng)用HTRI中Xist模塊對換熱管流致振動進行計算時提出了比TEMA標準更為保守的限制條件，可作進一步探討，詳見文獻［8］。

需要注意的是，式(4)、式(6)這兩個振幅公式只適用于簡支管，對于其他類型的支撐條件則需要改變簡支管的振型表達式［9］，然后再進行簡化，進而校核更加合理。

4 結(jié)語

針對核級換熱設(shè)備的一種——整圓形孔板縱流型管殼式換熱器在核電站中的應(yīng)用，分析了換熱管流致振動機理，基于TEMA標準提供了流致振動校核方法、判據(jù)及過程;針對該類型換熱器指出了其在流致振動方面的薄弱環(huán)節(jié)及相應(yīng)的設(shè)計考慮;分析了99版TEMA較88版TEMA及99版GB151在流致振動判據(jù)上的改進之處，可為該類型換熱器在核電站中的設(shè)計與應(yīng)用作參考。

［1］Standard of TEMA［S］.8thEdition，1999.

［2］管殼式換熱器:GB151［S］.1999.

［3］Standifier，J.B.Guidelines for Flow Induced Vibration Prevention in Heat Exchangers［R］.WRC Bulletin 1992，(372):1－27.

［4］Standard of TEMA［S］.7thEdition，1988.

［5］Au－Yang，M.K.Turbulent Buffetting of a Multi－span Tube Bundle［J］.Trans.of ASME，Journal of Vibration，Acoustic，Stress and Reliability in Design.1986，108(4):150－154.

［6］楊仁安，姚偉達.核電廠熱交換器傳熱管流致振動試驗研究［J］.中國核科技報告，1997(31):1－16.

［7］范靜龍，楊仁安.換熱器傳熱管流體誘導(dǎo)振動的計算及PIPO1程序介紹［J］.石油化工設(shè)備，1996，25(6):27－31.

［8］郎紅方，葉泉流，等.核2、3級管殼式換熱器管束流致振動分析方法探討［J］.核動力工程，2011，32(S1):155－157.

［9］聶清德，段振亞，等.關(guān)于TEMA標準《流體誘發(fā)振動》若干問題的討論(一)［J］.壓力容器，2004，21(11):1－4.