關于列管式換熱器管束振動與控制的探討

國建文

（山東齊旺達石油化工設計有限公司，山東淄博 255400）

關于列管式換熱器管束振動與控制的探討

國建文

（山東齊旺達石油化工設計有限公司，山東淄博 255400）

對影響列管式換熱器管束振動的有關因素、主要原因進行了詳細的闡述。為了延長列管式換熱器的使用壽命，介紹了限制或防止管束振動的有關方法。

列管式換熱器；管束振動；控制

1 管束振動的產生原因

列管工作散熱器通過一定數量的折流板將管子支撐起來，其所形成的彈性連續梁既具有中間支點也存在固定的多界離散頻率。在固有頻率與誘導振動頻率相同的情況下，共振就會出現。

1.1 由渦流脫落產生的管束振動

列管工作換熱器在運行過程中，流體會橫向掠過管子，當管子與液體重疊時，所產生的滯止點會出現在管子下面邊緣，流體壓力會替代之前的流體動力，而原來的流體壓力則會與新產生的流體壓力相疊加，瞬間造成較大的壓力。流體在滯止點周圍作環繞運動的過程中，最終會出現在管子寬度最大的區域，原有的邊界層則會形成兩個不同的自動剪切流層，尾跡旋渦則會產生在管子后面。尾跡旋渦所產生的旋渦交替脫落于管子兩側，處于交替變化狀態下的流體壓力，會迫使管子發生振動，管束共振由此產生。

1.2 殼程流體彈性旋轉

流體在排開管進行運動的過程中，相鄰的管子之間存在相互作用的力場，管子自身所引起的作用與彈性位移在交替出現的流體力的作用下，其所產生的應力會作用在管束上，進而引發管束振蕩。若殼程流體繞流速度發展至管子臨界速度以上或等于管子臨界速度，同一振動循環中的管子則會在流體能量的作用下產生較大的內能，若所產生的內能抵消管子阻尼消耗，使管子穩定被打破，管束振動由此產生。

1.3 紊流抖振

湍流流體是換熱器殼程流體的主要形式，在每一個不同的方向都存在處于不斷變化中的波動速度分量，并且波動頻率范圍較寬，當流體在管外流過時，管子會接收湍流分量所傳遞過來的能量，使管子出現隨機振動，產生相應的紊流抖振。若出現速度分量頻率與管子固有頻率接近或相等的湍流，管子則會產生共振。

2 影響管束振動的主要因素

2.1 阻尼

列管工作換熱器阻尼主要分為流體動力阻尼、材料阻尼以及結構性阻尼三種。其中流體動力阻尼產生于殼程流體在途經管束的過程中，所產生的壓力與黏性會導致出現陰滯作用，進而引起流體動力阻尼。一方面，流體與管子之間原本即有一定的摩擦阻力，在振動過程中會損失一定的能量，運動頻率出現下降。另一方面，管子振動會影響到管子與管子的寬度，流體動態也會相應地發生改變，將管子振動與擠壓流體方向相反的力傳遞給管子，使管子振動能量被消耗。在材料阻尼方面，管束在振動過程中會產生一定的形變，所產生的形變會使管束振動能量被消耗掉一部分，進行產生材料阻尼。結構性阻尼是管束在振動過程中，支撐板、折流板與管子之間會發生一定的碰撞與摩擦，振動能量也會相應地產生消耗。適當的阻尼作用可以在管束振動的過程中，降低管束振幅，進而實現換熱器在運行過程中保持平穩狀態。通常情況下，相比于流體動力阻尼與結構性阻尼，材料阻尼最小。若殼程流體壓力較大，占主要地位的是流體動力阻尼。若殼程流體為蒸汽或密度較低的氣體時，占主要地位的是結構性阻尼。

2.2 殼程流速與管束節徑比

管束節徑比即換熱管外徑與換熱管中心距的比值，殼程流速與管束節徑的大小是決定管束振動強度的主要因素。比較大的管束節徑比能夠為尾跡形成和旋渦脫落營造充分地空間，所形成的旋渦脫落呈現出一定的規律性特點。流體流速大小直接影響到旋渦脫落與旋渦脫落頻率的大小。振幅與管束振動頻率隨著流速的增大而增大。

較小的節徑比則會使原有的旋渦脫落轉變為寬頻帶脈動湍流旋渦，由于不同湍流分量自身的頻率不同，其中頻率與管子頻率相近的湍流分量則會交付能量傳遞給管子，使管子出現振動。該情況下，紊流抖振直接引起管束振動。在流體流速較高而節徑比較小的情況下，會出現流體彈性旋轉，流速增加，管子振幅也會相應增加，相互碰撞下的管子則會受到一定的損壞。

2.3 沖擊角

臨界橫流速度一定程度上受到沖擊角的影響。對于列管工作換熱器來說，換熱管沖擊角共包含45°、90°、60°、30°。在其他方面的條件保持恒定的狀態下，45°沖擊角臨界橫流速度最大，其次是30°、60°、90°。為了防止出現流體彈性旋轉角度，非必要情況下不應設置正方形排列式換熱管。

2.4 漏流與旁路流

列管式換熱器殼體與內部結構中所包含的管束外層存在一定的間隙，在該間隙中間所出現的流體會生產旁路流。同時，在殼體與折流板內徑之間，折流板管孔與換熱管之間，管束與分程隔板之間也有一定寬度的間隙，這兩部分的間隙所出現的流體會產生漏流。漏流與旁路流會放大殼程流體擾動，進而放大管束湍振。另外，若漏流與旁路流存在比較高的流速，間隙內部則會出現一定程度的共振。

3 列管式換熱器與管束振動之間的關系

在管束振動作用下，相鄰的管子會產生相互的碰撞，造成管束損壞，影響換熱器質量；管子與折流板管孔之間存在摩擦作用，在加劇折流板管孔磨損程度的同時還可能會破壞管子，甚至會使相鄰管孔出現沒穿或磨損的問題；在管束振動的作用下，管板與管子之間出現連接疲勞的問題，使管板出現破損。

4 管束振動的控制手段

管束振動的控制需要從使用、制造與設計三個角度出發制定解決方案。

為了防止管子在額定工作狀態下出現共振，在生產過程中需要遵循以下幾方面的原則：第一，渦流脫落頻率應保持在換熱管最低固有頻率的一半以下；第二，殼程橫向流速應嚴格控制在換熱管最低固有頻率的一半以下；第三，臨界橫流速度應小于殼程橫向流速。

限制殼程流速的具體方法如下：第一，擴展殼體尺寸或降低殼程流體流量；第二，擴張換熱管中心距；第三，設置雙弓形折流板。

在折流板窗口處與各個折流板之間位置設置縱向隔板，提高駐波頻率的同時降低氣柱尺寸，避免出現聲學共振。另外，降低管子跨距長度，提高固有頻率，也能夠起到防止產生共振的作用。

[1] 李煥秀.列管式換熱器管束振動與控制[J].科技創新導報，2014，（20）：66，68.

[2] 賴永星.換熱器管束動態特性分析及流體誘導振動研究[D].南京：南京工業大學，2006.

Discussion on Vibration and Control of Tube Bundle of Tube-Type Heat Exchanger

Guo Jian-wen

The main factors that influence the vibration of tube bundle heat exchanger tube tube are described in detail.In order to extend the service life of the tube heat exchanger，the relevant methods of limiting or preventing the vibration of the tube bundle are introduced.

tube tube heat exchanger；tube bundle vibration；control

TQ051.5

B

1003-6490（2017）01-0068-02

2017-01-18

國建文（1986—），男，山東淄博人，工程師，主要研究方向為化工設備設計。