蒸汽再沸器管束振動泄漏案列分析

趙興國（西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川 達(dá)州636164）

甲乙酮干燥塔再沸器（E-251）是甲乙酮干燥塔（C-251）的塔釜再沸器，管程介質(zhì)SBA,MEK,EAK；殼程介質(zhì)低壓蒸汽。型號BEM450-0.35/1.2-37-3.5/25-1II，管、殼程材質(zhì)均為碳鋼。簡易流程圖如圖1：

圖1 E-251簡易流程圖

1 E-251的泄漏現(xiàn)象

該換熱器自2004 年投用至2012 年，先后經(jīng)過3 次搶修，堵管消漏。2012年管束整體更新后，在2015年再次發(fā)生泄漏，停工搶修，堵管9根。其檢修情況如表1：

表1 E-251歷次檢修記錄

以上四次搶修過程中，試壓發(fā)現(xiàn)，都是靠近蒸汽入口處的管束發(fā)生了泄漏。

2 E-251的泄漏原因分析

（1）防沖擋板脫落因素：該換熱器每次泄漏的管束都位于防沖擋板后的蒸汽入口處。因此，初步判斷是防沖擋板沖刷腐蝕脫落造成。可是在2012年換熱器管束更新后，通過對舊管束進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)防沖擋板是完好的，排除了防沖擋板脫落造成管束泄漏的因素。

（2）管束制造質(zhì)量因素：E-251在2012之前檢修過三次，在2012年裝置大檢修期間對該換熱器管束進(jìn)行了整體更新，可是更新后的管束在2015年再次發(fā)生泄漏，泄漏部位還是位于蒸汽入口處，由此判斷換熱器管束制造質(zhì)量導(dǎo)致泄漏的可能性較小。

（3）操作因素：該換熱器在實際操作中，蒸汽流量達(dá)到了2600kg/h。通過查詢《GB 151-1999 管殼式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)可知，換熱器管束泄漏還有一重要因素就是，在管殼式換熱器的殼程中，流體橫向流過管束時，可能造成流體誘發(fā)振動，其主要成因是：

1）卡門漩渦振動；

2）紊流抖動；

3）流體彈性不穩(wěn)定。

其中，卡門漩渦振動是最常見也是最容易發(fā)生的一種振動，且與流體流量息息相關(guān)。發(fā)生振動判斷的依據(jù)：殼程流體為氣體或液體時，卡門漩渦頻率fv與換熱管最低固有頻率f之比大于0.5，就可能發(fā)生管束振動。卡門漩渦頻率fv按下面公式計算：

其中：St——斯特羅哈數(shù)，可根據(jù)節(jié)徑比S do查圖得，S為換熱管中心距，do為換熱管外徑，查圖可得St=0.19；

V——橫流速度。

其中：bmin指最小單排換熱管間隙和，第一排換熱管5根，拉桿2根。

bmin=2*0.0125+6*0.007=0.067ml1和l由圖2可得：l1=333，l=300

圖2 E-251管束結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)出口和折流板處的卡門漩渦頻率：

下面來計算換熱管的固有頻率：

其中：λn為頻率常數(shù)，可查多跨管頻率常數(shù)圖得該換熱器一階頻率常數(shù)和二階頻率常數(shù)分別為9.5、10.0；

E為材料彈性模量：2.03*105；

d0和di為換熱管外徑和內(nèi)徑；

l0為折流板間跨距和折流板與管板間的缺口跨距，取較大值，故l0=0.7；

m 為單位換熱管質(zhì)量，且m=mt+mi+m0，mt為換熱管單管質(zhì)量，mi為換熱管內(nèi)流體的質(zhì)量，m0為被振動管排開的虛擬的管外流體的質(zhì)量；

mt=1.39kg/m（φ25*2.5換熱管）；

mi=π*di2*ρi/4=3.14*0.022*806/4=0.253kg/m，

m0=π*d02*ρ0*CM/4=3.14*0.0252*3.0*2.7/4=0.004kg/m

di為換熱管內(nèi)徑，d0為換熱管外徑；

CM為附加慣性系數(shù)，根據(jù)節(jié)徑比可查為2.7；

ρi為管內(nèi)流體（甲乙酮、仲丁醇）的密度等于806kg/m3，ρ0為管外流體（蒸汽）密度等于3.0kg/m3。

故m=1.39+0.253+0.004=1.647kg/m

一階固有頻率：

二階固有頻率：f2=121Hz

由于卡門漩渦頻率與換熱管最低固有頻率的比值：

fv1/f1=82/115=0.713 ＞0.5

fv2/f1=91.05/115=0.792 ＞0.5

故在殼程進(jìn)、出口及折流板缺口區(qū)，會產(chǎn)生卡門漩渦振動，導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏。

3 結(jié)語

（1）蒸汽再沸器在運行過程中，如果蒸汽量超過換熱器設(shè)計參數(shù)，極有可能產(chǎn)生卡門漩渦振動，導(dǎo)致?lián)Q熱器泄漏。我裝置另外一臺換熱器共沸物塔再沸器（E-160）也存在類似現(xiàn)象，大檢修時也多次發(fā)現(xiàn)換熱管發(fā)生泄漏的現(xiàn)象。尤其是冬季蒸汽管網(wǎng)壓力低時，蒸汽密度降低，所需蒸汽量增大，流速增大，會進(jìn)一步加劇換熱管的振動。在日常操作管理中，要嚴(yán)格控制蒸汽流量在設(shè)計范圍內(nèi)，才能有效避免蒸汽再沸器的泄漏。如果實際需求蒸汽量超出設(shè)計量的應(yīng)及時委托設(shè)計，更新參數(shù)適用的新?lián)Q熱器。

（2）蒸汽再沸器在設(shè)計時，需較多的考慮換熱余量。使裝置在操作中受蒸汽波動的影響減小，盡量避免蒸汽超流量的現(xiàn)象。