管殼式換熱器振動分析和預防

周海鴿

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

管殼式換熱器是石化行業中應用最廣泛的間壁式傳熱型換熱器，適用范圍從真空到超高壓（超過100 MPa），從低溫到高溫（超過1 100 ℃），約占市場65%以上的份額[1]。隨著石化裝置的大型化，管殼式換熱器的尺寸也越來越大，由于換熱器的管束振動而引起的換熱設備破壞的事件屢見不鮮，不僅造成了巨大的經濟損失，還存在著嚴重的安全隱患。因而，換熱器設計時的振動分析和防振設計越來越受到設計人員的重視。

1 管束產生振動的機理和判據

誘發管束振動的主要原因是垂直于管束的橫向流誘振。目前比較認可的振動機理是“卡門旋渦”“紊流抖動”“流體彈性不穩定”和“聲共振”[2]。但是引起管束振動的原因是十分復雜的，除了上述機理外，學術界還提出了“射流不穩定”“射流轉換”“兩相流靜壓脈動”“尾流擺動”等機理[3]，因此在設計中，很難對引起振動的機理做出明確的判斷。

當殼程流體出現以下任一情況時，都有可能發生管束振動，引起管束破壞[2]：

當殼程流體為氣體或蒸汽時，出現下列情況，有可能發生聲振動，引起管束破壞：

式（1）～（6）中，卡門旋渦頻率:

式中 St——斯特羅哈數；

V——橫流速度， m/s；

do——換熱管外徑，m。

紊流抖振主頻率：

式中 l——縱向的換熱管中心距，m；

T——換熱管中心距，m。

臨界橫流速度：

式中 Kc——比例系數；

fn——換熱管的固有頻率；

δs——質量阻尼無因次參數；

b——經驗指數。

在換熱器的設計中，除管束兩端外，折流板大多設置為等間距，這里僅給出等跨距換熱管的固有頻率fn計算公式：