管殼式換熱器振動分析和預防

謝思遙 中國石化長嶺分公司

一、振動機理研究進展

（一）卡門漩渦

當流體橫掠換熱管時，如果流動雷諾數大到一定程度，在其兩側的下游交替發生漩渦，形成周期性的漩渦尾流，稱為卡門漩渦。漩渦流致使圓管上的壓力分布呈周期性變化。圓管兩側由于靜壓不同，會產生一個垂直于流動方向的升力，升力的交替變化，導致圓管沿流體流動方向垂直的振動。

（二）湍流抖振（紊流抖振）

當換熱器內流體流動的雷諾數Re＞4000時，流體出現湍流狀態，使管道內流體產生脈動變化，紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷供給管子能量，當紊流脈動的主頻率與管子的固有頻率接近時，管子吸收能量并產生振動。紊流脈動的頻率范圍較寬且具有很強的隨機性。由紊流抖振而誘發的振動不很規律，較少導致大范圍的共振響應。紊流抖振不是導致管子破壞的主要原因，而是產生流體彈性不穩定性激振的重要因素。

（三）聲振動

殼程流體是氣體時，較容易產生聲振動。當換熱器中管束的流體處在漩渦脫離狀態時，會引起管束振動，在管束的周圍激起沿換熱管徑向傳播的彈性波。這種駐波在管殼之間來回反射，形成一定的聲學駐波和機械波，當卡門漩渦頻率與聲學駐波頻率之比在0.8～1.2 范圍內時，可能產生強烈的聲學共振和噪音。殼程流體是液體時，由于聲波在液體中傳播的波長較長，難以形成聲學駐波，聲振動基本不會產生。

二、振動分析

在GB151 附錄C 及TEMA 標準中，均附有關于管束流致振動的計算公式及判定準則，但手工計算時計算量較大，目前國內外各設計院和工程公司均使用軟件進行流致振動分析，國際上比較流行的計算程序有美國傳質及傳熱協會開發的HTRI，及ASPENTECH 公司的EDR（整合自己公司開發的B-JAC 及收購的HTFS 而成）。

利用HTRI 軟件可以很方便地進行管殼式換熱器管束流致振動分析，其傳熱系數與壓降模型基于大量實驗數據，是符合TEMA 標準的計算結果最為可靠的工具之一。HTRI-Xist 能夠在進行熱工水力計算的同時，用多種實用的方法對換熱器關鍵部位進行全面的振動分析，分析結果較為可靠，但偏于保守；HTRI-Xvib 為三維有限元結構分析軟件，可以分析多階模態下單根傳熱管的流致振動情況，分析結果較HTRI-Xist 更為精確。HTRI-Xist 分析通不過的情況，可采用HTRI-Xvib 進行更為精確的計算，從而判斷是否能通過。

三、減少振動的措施

（一）增加換熱管的固有頻率

根據換熱管的固有頻率計算公式分析，換熱管的固有頻率和管束的支撐跨距的平方成反比關系，因此減小跨距是最有效的方法；采用彈性模量較高的換熱管材質也可以提高固有頻率，但由于換熱管材質一般是根據管程流體的物性來選擇，因此在設計中一般不會采用換材質的方法來預防振動。當換熱管材質不變的情況下，還可以增大do4-di4 來增大固有頻率，通過公示轉換do4-di4=（do2+di2）（do2-di2）=（do2+di2）（do+di）（do-di）可以看出，增大do4-di4 實際上是增大換熱管的直徑或壁厚，但是這又不夠經濟。以外徑分別為25mm 和19mm，壁厚為2mm 的換熱管為例計算，每立方米鋼材可以提供的換熱面積依次是0.379m2/m3 和0.559m2/m3，后者比前者的換熱面積增加47.5%。因此在設計時還是應優先選擇小外徑的換熱管。通過以上分析可以看出減小跨距是增加換熱管固有頻率的最經濟和有效的方法。

（二）增大臨界橫流速度和減小殼程橫流速度

根據臨界橫流速度的計算公式分析，影響臨界橫流速度的因素比較復雜，需要綜合考量。

（1）增加換熱管的固有頻率是增大臨界橫流速度的有效方法。

（2）在換熱管的排列方式一定的情況下，增大臨界橫流速度可以通過增加節徑比S/d0 來實現，通常的做法是增加換熱管的間距，這樣，殼程橫流速度也同時減小。但是這種方法會增加殼體的直徑，在一定程度上增加生產成本。

（3）改變換熱管的排列方式對臨界橫流速度也有影響。一般情況下，60°的布管方式臨界橫流速度最大。

（4）減少殼程流量，采用雙殼程F 型換熱器，冷凝器可采用J21 型殼程；

（5）采用雙弓形或多弓形折流板或者窗口區不布管，增大殼程流體流通面積。

（三）其他防振措施

（1）在殼程的進出口設置防沖擋板、增大殼程接管尺寸或者采用環形蒸汽入口、加設導流裝置等措施，減少蒸汽對管束的直接沖擊，可有效防止振動產生。

（2）在使用防沖擋板時，由于物料在擋板的作用下流向擋板邊緣，使得擋板四周較近的管束受到物料沖擊作用較大，容易產生振動現象。在此情況下，可采用防沖管進行消除，即增加部分空心或實心的管束在物料進口位置，從而分散物料對換熱管的沖擊，消除振動。

（3）通過在管束中設置縱向隔板可有效的消除聲振動。

四、結語

換熱器的振動機理是十分復雜的，它和換熱器的管子材質、管子排列方式、管間距、折流板間距、殼側流體性質和流動狀態等因素都有關系。設計人員應重視換熱器的振動分析，掌握引起管束振動的機理，據此找到引起振動的原因和消除振動措施。