浅谈管壳式换热器流动诱发振动
管壳式换热器换热管振动与预防
２ 流 体 诱 导 振 动 分 析
√
（ Ｈ ｚ ）
在 换 热器 中 ， 壳程 流 体 流路 十分 复 杂 ， 有
式 中 为 Ｕ 型管 的 频率 常 数 ｆ ｉ 为边 界 条 件校 正 常数 ， 两 端 固定 时 ｆ ｊ ＝ ２ ． ２ ６ ９ ， 两端简支 ｆ ｊ ＝１ ， 一 端 固 定 一端 简 支 ｆ Ｉ
固有频 率 ， 它与 管端的 固定 型式 、 中间支点 、
管子断面 、 跨距数 、 跨 距 长 度 以及 材 料 等 都 有
关系 。
ｆ ＝ ｆ ｎ √ １ ＋
有频率 （ Ｈｚ ）
× １ ０ － ６ （ Ｈ ｚ ）
式中ｆ ｎ 表 示 管 子 未 受 轴 向力 作 用 时 的 固 Ｐ表 示 轴 向 力 （ Ｎ） ， 拉 伸取正 值 ， 压 缩 取 负值 计算 表 明： 轴 向 力 可 以 使 固 有 频 率 变 化 达 到 ±４ Ｏ ， 因此 若 不 考 虑 或 不 了 解 轴 向 力 的影响 ， 将 产 生 巨大 的 误 差 。
减 少污 垢 ， 取 国 标 中最 大 无 支 撑 跨距 长 度 的
为管 子有 效 重量 （ ｋ ｇ ／ ｍ） ｐ ｏ 、 ｕ分别 为 壳侧 流 体 在 局部 平 均 温
度 下 的密 度 （ ｋ ｇ ／ ｍ。 ） 及粘度（ ｍＰ ａ
・Ｓ ）
８ Ｏ ， 就 可 以 使 固有 频率 值提 高 ５ Ｏ 以上 。
１ ． １ ． ３ 翅 片 对 固有 频率 的 影 响 计算 翅片管 截面积 的惯性 矩 时 ， 翅 片 段 内径 取 实 际 内径 ， 壁厚约增 加 ８ ／ ｏ ／， 管 子 有 效 重量 应包 括 翅 片重 量 。
管壳式换热器流体诱发振动机理及防振措施01
1.3 换热管振动破坏的形式
3、管与管板处液漏
用胀管法固定的管子，振动时呈弯曲变形。接合 处的管子，受力最大。有可能从胀接处松开或从管孔中 脱出造成漏泄甚至断裂
4、疲劳破坏
管子在振动时反复的受弯曲应力的作用。如果 应力相当高且振动延续时间很长，管壁将因疲劳而 破裂。如果管子的材料存在裂纹且裂纹处于应力场 中的关键部位，或者管子还同时受到腐蚀与冲蚀的 作用，疲劳破坏加速
我国从20世纪70年代开始相继在北京、天津、上海 等地的化工厂、电厂、核反应堆系统的换热器、空 气预热器中也曾发生过管子的振动与声振动。
1.2 换热器流体诱发振动的学术会议
二十世纪60年代，已有较多学者从事换热器中 流体诱发振动的研究。70年代初便已具备召开专题 学术会议的条件。1970年美国阿贡国家实验室（ANL） 主办了“反应堆系统部件中流体诱发振动”会议， 美国机械工程师协会（ASME）主办了“换热器中流 体诱发振动”会议，标志着一个新阶段的开始。
1.3 换热管振动破坏的形式
换
碰撞损伤
热
管
折流板切割
振
动
管与管板处液漏
破 坏
疲劳破坏
形 式
声振动
1.3 换热管振动破坏的形式
1、碰撞损伤
换热器的振幅较大时，相邻管之间或管与 壳体之间便相互碰撞。位于无支撑跨距中点的 管子表面受到磨损而出现菱形斑点，时间长了 ，管壁变薄甚至破裂。
2、折流板切割
为了便于换热管在组装时容易穿过所有折流板上 的管孔，管孔一般比换热管的外径大0.4～0.7mm。由 于存在间隙，管子在振动时不断撞击折流板管孔，犹 如遭到折流板的切割。因而导致管壁变薄或出现开口 。
边界层分离现象及其产生机理
某核电厂管壳式换热器流致振动分析
某核电厂管壳式换热器流致振动分析苏鸿;罗重奎;刘星;彭磊【摘要】为查找某核电厂疏水冷却器(管壳式换热器)换热管断裂的原因,本文采用ANSYS软件对换热管进行建模,确定管束的自振频率,利用TEMA标准计算换热管束的卡门漩涡脱落频率、临界流速及振幅.通过自振频率与卡门漩涡脱落频率对比及实际流速与横流流速的对比判定,确定了卡门漩涡脱落及流体弹性不稳定是导致疏水冷却器换热管束断裂的根本原因.提出针对性的解决措施,其成果对于核电站管壳式换热器的安全运行有借鉴意义.%In order to find the reasons of the tube bundle fracture in a nuclear power plant's drain cooler (a shell and tube heat exchanger),establishes a pipe model to determine the natural frequency of the tube bundle by ANSYS,and determines the vortex shedding frequency,the critical flow velocity and vibration amplitude according to TEMA standards.The study finds that the vortex shedding and fluid elastic instability are the root causes of the tube bundle fracture by comparing the natural frequency of vibration with the vortex shedding frequency and comparing the actual flow velocity with the critical flow velocity.A series of specific countermeasures is provided.The achievements obtained can provide safe operating of heat exchengers in nuclear power plants.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2017(035)006【总页数】5页(P527-531)【关键词】管壳式换热器;自振频率;卡门漩涡;流体弹性不稳定;振幅【作者】苏鸿;罗重奎;刘星;彭磊【作者单位】深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057;深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057;深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057;深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057【正文语种】中文【中图分类】TK172管壳式换热器作为一种换热设备广泛用于核电厂，是热力循环的重要设备。
浅谈基于HTRI的管壳式换热器防振设计
(２) 湍流抖振主频率 ｆ ｔ 与换热管最低固有频 率 ｆ ｎ之比大于 ０������ ５ꎮ
(３) 换热管的最大振幅 ｙ ｍａｘ > ０������ ０２ｄ ｏꎮ (４) 横流速度 Ｖ 大于临界横流速度 Ｖ ｃꎮ 可见ꎬ 流体流速是影响振动因素中最重要的 参数ꎬ ＴＥＭＡ 规定对于管跨的临界流动速度是可引 起管跨 不 可 接 受 的 大 振 幅 振 动 的 最 小 横 流 速 度ꎮ 壳侧区域每段的横流流速必须小于对应的临界流 速才能确保不产生振动ꎮ 所以降低壳程流体的流 速或者通过一些措施提高临界流速都是避免振动 的一个很有效的方法ꎮ 同时从以上振动发生的判 据还可以看出ꎬ 借助增加换热管的固有频率也可 以减小振动发生的可能性ꎮ 临界流速的计算式 [２] :
２０１９ꎬ２９(２)
贾会平 浅谈基于 ＨＴＲＩ 的管壳式换热器防振设计
３３
ｆ ｎ ＝ ３５������ ３λ ｎ
Ｅ (ｄｏ ４ － ｄｉ ４) ｍｌ ４
(２)
式中ꎬ ｄ ｏ为换热管的外径ꎻ ｄ ｉ 为换热管内径ꎻ Ｋ ｃꎬ δ ｓ ｂ 为 临 界 流 速 系 数ꎻ Ｅ 为 材 料 的 弹 性 模 量ꎬ ＭＰａꎻ ｌ 为跨距ꎻ ｍ 为单位换热管长的质量ꎻ λ ｎ 为 频率常数ꎬ 无因次ꎮ
１２������ ５ / － １������ ３
１������ ４５３
１������ ５１２
２１
２１
０������ ０００１７
０������ ０００３４
４������ ３７３
设计换热器时满足工艺要求是首要的ꎬ 换热 器选 型 ＢＥＭꎬ 核 定 两 台 直 径 为 ２１００ｍｍ、 管 长 ９������ ０ｍ 的换热器ꎬ 两台串联可满足换热要求ꎬ 其次 是查看软件的振动警告信息ꎬ 通过优化调整换热 器结构参数来消除 ＨＴＲＩ 振动警告从而避免管束振 动破坏ꎮ ＨＴＲＩ 软件计算的初步结果的警告信息以 英文显示表明ꎮ
基于卡门涡街原理的管式换热器振动分析
基于卡门涡街原理的管式换热器振动分析引言在工业上，管式换热器是一种常用的设备，用于热量的交换。
它由一组铜管或钢管组成，其中主要流体在管中流动，而辅助流体则在管外流动。
随着流体的运动，管子会产生振动，这种振动会导致管壁振动，从而产生噪声和疲劳破坏。
因此研究管式换热器的振动特性，对于保证其安全运行很有重要意义。
卡门涡街原理是物理学中的一个重要原理，它描述了液体或气体在穿过一个流体障碍物时所产生的涡街现象。
利用卡门涡街原理可以有效地分析和预测管式换热器的振动特性。
在本文中，我们将基于卡门涡街原理，分析管式换热器的振动特性，并讨论如何减少振动和噪声。
卡门涡街原理卡门涡街现象是由发现其的匈牙利物理学家卡门在19世纪末发现的，它是一种流体动力学现象。
在管式换热器中物流过程中也会出现这种现象。
简单来说，当有流体流经一个流体障碍物时，流体的能量将转化为涡旋动能量，而这些涡旋会在流体流出障碍物后继续存在一段时间。
卡门涡街现象通常会产生很强的振荡，这会导致管壁的振动。
因此，在设计管式换热器时，卡门涡街现象需要被充分考虑。
管式换热器的振动在管式换热器中，主要的振动来源包括以下几个方面：1.入口流动的不均匀性：如果管式换热器的进口流动不均匀，这会导致管道中产生涡流，并引起振动。
2.不合理的支撑结构：管件的支撑结构需要满足一定的刚度和强度要求，如果支撑结构设计不合理，也可能会引起管道的振动。
3.不同流速的干扰：如果不同流速的流体在管子内相遇，就会产生强烈的流动干扰，导致管子产生振动。
管式换热器的振动会给设备结构和性能带来不良影响，具体包括以下方面：1.噪声产生：管式换热器的振动会引起较大的噪声，给现场工作人员带来不便。
2.疲劳破坏：振动会导致管子壁的疲劳破坏，严重时可能会出现泄漏等安全事故。
3.影响传热效率：管子振动会影响流体的运动状态，从而影响传热效率。
为了减少管式换热器的振动，我们需要进行结构优化和流场控制等工作。
振动的控制方法结构优化管式换热器的支撑结构设计需要满足一定的刚度和强度要求，以保证管子的稳定性。
核电厂管壳式换热器流致振动分析
核电厂管壳式换热器流致振动分析发布时间：2021-03-12T07:07:42.136Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年25期作者：罗士强[导读] 当随机力的主要振动频率与传热管管束固有频率发生重合时会出现一个振动的最大值，称之为峰值。
福建福清核电有限公司福建福清 350300摘要：为研究管壳式换热器运行时管内流体导致换热器管束振动乃至破裂失效的主要原因，此次研究过程中使用相关的建模工具对换热管进行建模，模拟计算相关参数保证换热器的可靠性，避免因流致振动带来的不利影响。
同时确定了导致换热管束断裂主要原因是由于卡门漩涡脱落及流体弹性不稳定。
并提出针对性解决管束断裂的措施，本文基于近年来国际与国内对于换热器流致振动的重要研究成果，阐述采用计算机等相关工具对换热器进行流致振动仿真的技术路线，对于核电站管壳式换热器的安全运行有借鉴意义。
关键词：管壳式换热器；流致振动；卡门漩涡；流固耦合1 管壳式换热器流致振动主要机理分析1）卡门漩涡在传热管内壳侧的流体以高速横流的形式流过，由此在传热管后方的尾部流体中产生一个周期性交替变化的中心对称漩涡脱落尾流，称为卡门漩涡。
卡门漩涡会使传热管两侧产生一个与流向垂直交替变化的激振力，导致传热管振动。
其振动频率与涡漩脱落频率相等［3］。
2）紊流抖动随机力导致的衰减振动被称之为紊流抖动，传热管是否与其发生共振只与其其固有频率有关，当随机力的主要振动频率与传热管管束固有频率发生重合时会出现一个振动的最大值，称之为峰值。
3）脉动流诱发振动由换热管内流体的脉动而引起的振动是强迫振动的一种。
这种振动类型直至今日还未有完整的理论探讨与实验证明，但是并不能否认其在理论上还是实践上的重要意义。
2 水热管壳式换热器流致振动经验计算以某核电厂内一典型水热管壳式换热器为例，依据国标规定开始分析流致振动。
当壳程流体为液体时，符合下列条件中的任意一条，管束振动就有可能发生：1)卡门涡漩频率与换热管最低固有频率之比大于0.5；2)紊流抖动主频率与换热管最低固有频率之比大于0.5；3)横流速度大于临界横流速度。
管壳式换热器管束振动失效研究
管壳式换热器管束振动失效研究周浩楠a,潘建华b（合肥工业大学a.机械工程学院；b.工业与装备技术研究院，合肥230009）摘要：某管壳式换热器在使用过程中出现管束泄漏和断裂。
通过对管材样品采用化学成分分析、金相组织分析、室温拉伸实验、形貌观察等方式研究了该型号换热器失效的原因。
另外，根据该换热器的设计工况，针对其换热管振动时的机理，对换热管振动做了详细的分析。
同时对振动机理的研究发现：该换热器的工况处在流体弹性不稳定区域，流体弹性不稳定性使管束发生振动，在交变应力的作用下使管束发生疲劳破坏。
关键词：交变应力；管壳式换热器；流体弹性不稳定性中图分类号:TK172文献标志码:A文章编号：1002-2333（2020）07-0016-03 Study on Tube Bundles Vibration Failure of Shell and Tube Heat ExchangersZHOU Haonan a,PAN Jianhua b(a.School of Mechanical Engineering;b.Institute of Industry&Equipment Technology,Hefei University of Technology,Hefei230009,China) Abstract:A tube and shell heat exchanger has tube bundle leakage and breakage during use.By using chemical composition analysis,metallographic structure analysis,room temperature tensile test,and morphological observation on the tube samples,the failure reasons of this type of heat exchanger are studied.According to the design conditions of the heat exchanger,the vibration of the heat exchange tube is analyzed according to the mechanism of the heat exchange tube vibration.The study of vibration mechanism shows that the working condition of the heat exchanger is in the region of fluid elastic instability;the fluid elastic instability causes the tube bundle to vibrate,and fatigue damage of the tube bundle occurs under the action of alternating stress.Keywords:alternating stress;shell-and-tube heat exchanger;fluid elastic instability0引言管壳式换热器因其结构简单、传热面积大、能承受高压和高温、操作管理方便，又具有较高的可靠性与广泛的适应性，在石油化工、核能等工业中得到普遍的应用。
热换器发生震动原因
换热器在平常运行的过程中有时候会出现振动的现象，有时候振源只有一个，有时候振源有好几个，有的振源相对来说比较容易预测和防止，而有的振源引起的振动却
很难估计。
经过研究发现，换热器内部的振动主要是壳侧流体的流动引起的，管侧流体流动
引起的振动相对小一些，这种振动严重时会造成管子的泄露和破坏，导致很大的噪音，使得壳侧的压降增大。
振动造成的破坏有以下几种情况：1、传热管件由于振动发生相互碰撞，造成表面磨损，外观出现明显磨损；紧邻折流板处的传热管受到碰撞发生磨损；振动时传热管
件寿命降低；管件上有细小裂纹最终造成管件破坏。
]。
管壳式换热器振动分析
漩 涡 分 离 诱 导振 动 、湍 流 抖 振 和 声 共 振均 是 振动响应现象 ，当激振频率与管子固有频率接近 时就 会 产 生振 动 响应 。流 体 弹 性激 振 是流 体 对 管 子 施 加 的质量 阻尼 系 统 能 量 超 过 阻尼 系 统 消 耗 的 能 量时产 生 的振动状 态 。
换 热 器 的振 动机 理 ， 并用 专 业 软 件对 一 实 际项 目 的换 热 器 进 行 了振 动 分 析 ，提 出 了解 决振 动 的方
法。
ｌ振 动 机 理 在 管 束 横 向流 流速 的影 响下 ，换 热 器 管 子会 出现 振 动 的趋 向 ，如 果振 动 振 幅 达 到 足够 大 ，则 可 能会 被一 种或 几种激 振机 理所 破坏 。
（ ４ １ 声共振
在 换 热 器 设计 过 程 中采 用 各种 方法 避 免 振 动 ，是 保证 换热 器 设计 的合 理 性和 使 用 寿 命 的关 键 。但 由于 流 体 诱 导振 动 现 象 的 复杂 性 以及 现 有 技 术 的 限制 ， 目前 尚未 提 出完 善 的预 测 换 热 器 振 动 的方
时 ，会 产 生 很 大 的 能量 ，导 致 换热 管共 振 并 伴 随 着 较大 的振动 振幅 。 （ ３ ） 流 体弹 性激振 当横 流 穿 过 管 束 时 ， 管 束会 承 受 流 体 的不 稳 定动 力 ，从 而 破坏 相 邻 管 子 间 的力 平衡 ，使 之 产 生位 移 。在 临 界流速 Ｗｃ 下 ，发 生流 体弹 性 振 动 ， 如 果横 向流 速 ｗ进 一 步 增 加 将 引 起 管 子 较 大 的振 幅 ，从 而 引起 管子 的破 坏 。
管壳式换热器振动分析及防振设计
管壳式换热器振动分析及防振设计作者：柳少华田旭来源：《中国化工贸易·上旬刊》2017年第05期摘要：针对管壳式换热器常见的振动破坏形式，阐述管壳式换热器管束流致振动的机理。
基于HTRI软件，进行换热器振动分析，并介绍了常见的防振措施。
关键词：换热器；振动；机理；HTRI1 前言管壳式换热器由于其结构紧凑，体积小，换热能效高，制造成本低，便于维修等特点，是石油、化工、动力、食品和医药等行业广泛采用的一类换热设备。
随着工业生产迅速发展和生产规模不断扩大，管壳式换热器趋于大型化，换热能力不断提高，适用范围越来越广泛，但与此同时，由于高流速、管束支撑间距增大等多因素，管壳式换热器的振动问题也越来越突出。
换热器管束发生流体诱导振动，往往能造成换热器局部失效甚至整体报废，给工厂带来巨大的经济损失。
据相关文献报道，在传热管内插入圆珠圆管等内件，采用新型的弹性管束代替传统管束等手段，可以诱导流体产生弹性振动，提高传热系数、强化传热、减少结垢，但实际生产中利用振动强化传热的案例较少，应当首先保证换热设备的正常操作，减弱或者消除振动的不良影响。
因此，在管壳式换热器设计中，应充分考虑各种因素，其中包括管束振动分析。
本文在分析换热器管束振动机理的基础上，结合工程实际，针对性地提出了预防措施。
2 振动机理研究进展管壳式换热器内流体的运动十分复杂，流体的流速和方向不断地发生不规则的变化，使传热管处在不均匀的力场中，受到流体流动的各种激发力作用，极易产生振动。
一般认为，换热器管束振动主要是由壳程内的横向流所诱发，管程流体流动诱发振动的可能性较小。
振动产生的根本原因是，流致振动的频率与换热器的固有频率接近，此时换热器就会产生强烈的振动。
流致振动的机理可归纳为以下几点：2.1 卡门漩涡当流体橫掠换热管时，如果流动雷诺数大到一定程度，在其两侧的下游交替发生漩涡，形成周期性的漩涡尾流，称为卡门漩涡。
漩涡流致使圆管上的压力分布呈周期性变化。
HTFS管壳式换热器振动分析
HTFS换热器计算程序与管壳式换热器振动分析上海化工设计院上海摘要介绍换热器计算程序；分析工程实际中管壳式换热器的振动问题，并以础总结消除振动的经验。
1概述管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器。
长期以来，人们对于它的工艺计算进行了长期而深入的研究。
积累了丰富的经验。
目前国际上已开发了数种管壳式换热器计算程序，其中比较流行的有美国传质及传热协会开发的mm、英国传热及流体流动学会开发的m，以及美国ASPEN TECH公司开发的B—JAc。
这些计算程序已取代手算，成为换热器工艺计算的主要手段，在国内也得到广泛使用。
管壳式换热器的管束振动问题是工艺计算中的重大课题。
对于大型、高流速、高压力换热器，振动现象尤为显著。
剧烈振动可能引起设备破坏而且噪音污染更加严重。
但由于流体诱导振动物理现象的复杂性以及现有技术的限制，目前尚不能提出完善的预测换热器振动的方法，而通过人工计算预测换热器可能存在的管束振动又是一项非常繁琐的工作。
各类换热器计算程序均有振动分析模块，试图帮助设计者预测到换热器可能存在的振动问题。
在工艺操作参数一定的条件下。
要消除换热器潜在的振动威胁，只有通过对换热器的结构型式作出调整。
因此，如何有针对性地调整换热器结构型式，充分利用计算程序这一快捷简便的工具。
避免换热器在使用中发生显著振动。
已在换热器计算中日益受到重视。
本文借助于m对几个具有典型管束振动现象的管壳式换热器的振动分析，归纳出换热器设计中对管束振动有明显影响的换热器结构型式对换热器管束振动的影响方式，以便设计者能较方便地找到消除换热器振动的方法。
然而，除振动问题外，在换热器设计中最需关心的是在达到传热效果前提下的经济性问题，即设备费用和操作费用，这又往往与消除振动相矛盾。
为节省篇幅，本文不讨论振动机理、消除振动对传热的影响以及难以定性其减振效果的某些减振手段。
2HTFS换热器计算程序及其应用m(Heat Transfer and Fluid n0w SeⅣ)是英国传热及流体流动学会于80年代末推出的一套换热器计算及模拟程序，它包括管壳式换热器计算程序TASC、立式热虹吸式再沸器计算程序TSEB、釜式再沸器计算程序KETL和空玲热交换器计算程序AC0L。
管壳式换热器振动原因
管壳式换热器产生振动的原因和危害换热器管束的振动是由壳程流体的诱导振动引起的,一般包括旋涡分离、紊流抖振、流体的弹性激振和声共鸣四种形式。
其中,弹性激振是最主要的振动形式,并且旋涡分离和紊流抖振对它起一定的促进作用。
所以,分析振动的关键是研究流体的弹性激振。
流体在换热器内流动存在一个“临界流速”问题,传统的方法是通过基于经验半经验的公式来确定。
有学者把换热器内的流体视为非定常不可压缩流体,通过它建立一个关于流场的参数多项式,无论是二维还是三维流动,该多项式的系数只是一个坐标的函数。
把此参数多项式带入流体基本方程,利用振荡流体力学理论,就可以求得影响流体弹性不稳定的相关参数和“临界流速”的数值。
'i%@N~F j[&b b A参数多项式方法是一种快速的数值计算方法,应用它可以计算各种振幅条件下的流体力做功,通过阻尼稳定性理论,便可以求得平衡振幅,而后得到动应力,最后把动应力与管束的疲劳寿命结合起来。
这种方法更加符合工程实际的要求。
目前工程实际中主要采用以下方法预防管束振动。
q*~-N x0j(E#e)F U.`(1)制定合理的开停工顺序,加强在线监测,严格控制运行条件,在流体入口处设置防冲板、导流筒和分流器,既可以避免流体直接冲刷管束、降低流速,又可以降低流体脉动。
(2)适当降低壳程流体流速可以降低流体诱导振动的频率,是防止管束振动的直接方法,但是传热效率也会随之降低。
(3)适当减小折流板间距,增加管壁厚度和折流板厚度。
折流板上的管孔与换热管管要紧密配合,间隙不要过大,这样可以优化结构设计,增加管束固有频率,使流体诱导振动频率远离换热管固有频率。
,d r C l u)j~0T/i(4)改变管束支撑形式,采用新型纵向流管支撑,如折流杆式、空心环式、及整圆形及异形孔折流板等。
它们可以有效地消除流体的诱导振动,也可以降低壳程流体的压力降。
2m C-W/w5G9m(5)在管束中预先设定的位置上不设管,可以减少振动的可能性。
某核电厂管壳式换热器流致振动实例分析
２
余 热 锅 炉 ２０ｌ ８．２
不足 以吸 收流 体 能量 ，换 热管 振 幅将 持 续 增 大 ，直 到 相 邻 换 热 管 互 相 碰 撞 ，短 时 间 内造 成 破 坏 。流体 弹性 不 稳 定性 往 往 发生 在壳 程 流 体 流 速 较 高 时 ，破 坏 性 很 大 ，设 计 时 应 着 重 注 意避 免 。 １．４．声 共振
气体 或蒸 汽 进入 壳 体后 ，将 在 与 流动 方 向 和 换 热 管 轴 线 都 垂 直 的方 向上 形 成 声 学 驻 波 。当声 学 驻波 频 率 与 卡 门旋 涡频 率 或 湍 流 抖 振 主 频 率 一 致 时 ，便 发 生 声 共 振 。当壳 程 介 质 为 液 体 时 ，由 于 液体 音 速 高 ，一 般 不 会 产生 声共 振 。 ２．计 算模 型 （某核 电厂 ｓＲｌ换 热器 ）简介 ２．１．换 热器概 况
流 体 弹 性 不 稳 定 性 是 动 态 的流 体 力 与 管 子 的运 动 相 互作 用 的结 果 。当流 体 速度 较 高 时 ，流 体给 予 管 子 的 能量 大 于换 热 管 的 阻 尼 所 消 耗 的 能 量 ，在 流 体 力 作 用 下 ，换 热 管 将 产 生 大 振 幅 的 振 动 ，若 换 热 管 的 阻 尼 仍
关键 词 ：核 电 管 壳 式换 热 器 流 场 振 动
前 言
关 ，工程 上采 用斯 特罗 哈数 （Ｓｔｒｏｕｈａ１）来 近
对 于管 壳 式 换热 器 ，换 热管 束 的振 动 会 导 致 换 热 管 破 坏 ，从 而造 成 设 备 失 效 。引 起 换 热 管 束振 动 的原 因有 许 多方 面 ，其 中流 体 诱 导振 动是 换 热管振 动 的直接 和 主要 原 因 。 １．管 壳式 换 热器 管束 流致 振动 机理
管壳式换热器振动问题探讨
管壳式换热器振动问题探讨管壳式换热器振动问题探讨李汉Ξ华陆工程科技有限责任公司西安710054摘要分析管壳式换热器产生振动的原因,通过实例,利用HTRI软件讨论管壳式换热器防止振动的措施。
关键词振动换热器设计在设计换热器时,通常会较多考虑传热的优化,即采用什么结构和尺寸能满足高效传热,而往往会忽视产生振动。
目前的换热器计算软件如HTRI、BJAC等都有振动分析的结果。
下面将分别讨论管子振动会造成的损害、容易发生振动的部位以及为避免振动可以调整的结构参数。
1 振动的损害首先讨论管子振动会对换热器造成的损害。
111 碰撞损坏由于发生振动管子的振幅大,使得管子与管子,管子与壳体之间的碰撞会导致管壁损坏破裂。
112 折流板对管子损坏由于管子振动,折流板对穿过折流板的管子会有切割磨损,严重的会使管壁破裂。
113 影响管板的连接由于管子振动,会使管子在管板上连接松动,从而可能产生泄漏。
114 材料缺陷扩大管子振动产生的应力,会使材料不均匀或有裂纹等缺陷的管子的裂纹等缺陷扩大。
115 声共振壳侧气相流体声振是由于气体漩涡分离引起振动而发声,一般这种声振动通常对管束无影响,但是如果振动的频率接近管子的固有频率就会产生共振。
2 振动的区域在管壳式换热器的以下区域容易发生振动。
211 U型管由于U型管子的固有振动频率低,因此容易产生振动。
212 进出口区换热器进出口区域中通常局部会产生高流速,这种高流速会导致振动。
213 管板区换热器中靠近管板的无支撑管跨距常大于折流板区域的跨距,从而导致管子较低的固有频率。
进口及出口与该区域相连,可能存在的局部高流速连同低的固有频率,使得该处成为防止振动首要考虑的区域。
214 折流板区位于折流板切口处的管子的无支撑管跨距是折流板间距的一倍,大的无支撑跨距会使管子的固有频率降低,从而容易产生振动。
215 障碍物区任何有碍流动之物,例如拉杆、防冲挡板等都可以产生局部高流速,因此会在障碍物边上引发振动。
管壳式换热器设计中的振动分析
管壳式换热器设计中的振动分析郭金回【摘要】分析了管壳式换热器的振动机理、振动的危害,结合实例,对管壳式换热器设计中振动情况进了计算和分析,提出了消除振动的措施以及消除振动中需考虑的事项.【期刊名称】《化工管理》【年(卷),期】2018(000)028【总页数】3页(P136-138)【关键词】管壳式换热器;设计;振动分析【作者】郭金回【作者单位】上海河图工程股份有限公司,上海 201203【正文语种】中文0 引言管壳式换热器作为一种换热设备,因其结构简单、制造方便以及造价相对较低等特点,在炼油、石化、化工等行业中得到了非常广泛的应用。
而对于这类要求连续运行的装置来说,设备的可靠性是相当重要的,一旦发生损坏,轻则造成设备效率降低、工艺指标不合格,重则造成装置停产甚至财产损失、环境污染、人员伤亡等严重问题。
而据不完全统计,因管束振动而损坏的换热器几乎占损坏的30%[1],因此,换热管束的振动分析在换热器的设计过程中就显得非常重要。
随着各类装置规模的不断扩大,管壳式换热器的的规格也随之加大,其振动分析愈加复杂。
1 管壳式换热器的振动1.1 振动的类型及机理[1～12]管壳式换热器的振动一般为流体诱发振动,当壳程流体在横流过管束时,在一定条件下会形成涡流脱落、湍流激振,或是流体弹性不稳定等引起换热管的振动。
1.1.1 涡流脱落(Vortex Shedding)管壳式换热器壳程流体横流过管束时,在管子的尾部会形成反对称排列的卡曼漩涡,并以一定频率从管子两侧表面脱落,使管子受到一交变力的作用。
此作用力的频率与卡曼漩涡的脱落频率相同,当此作用力的频率与换热管的固有频率相接近或是相等时,会产生共振而使得管子产生剧烈振动。
涡流脱落频率fv与流体流速、管径等参数有关,可以用以下公式计算:1.1.2 湍流抖振(Turbulent Buffeting)壳程流体在高雷诺数下流动时,在管束深处会产生随机波动的湍流力。
特别是在节径比(管间距/管外径)接近1的密排管束中,由于没有足够的空间使卡门漩涡脱落,管子起着促使流体湍动的作用,形成了紊流漩涡,管子受到波动力的作用。
换热器管束振动的原因及防范措施
换热器管束振动的原因及防范措施一、管束振动分析管壳式换热器在运行过程中,流体在壳程横向冲刷管束,由于工况的变化以及流动状态的复杂性,换热管总会发生或大或小的振动。
产生振动的振源为流体稳定流动产生的振动、流体速度的波动、通过管道或其它连接件传播的动力机械振动等,横向流是流体诱导管束振动的主要根源。
1.1管束振动的机理1.1.1漩涡脱落当流体横掠换热管时,如果流动雷诺数大到一定程度,在管子背面两侧就产生周期性交替脱落的反对称漩涡尾流,即卡曼涡街。
漩涡的交替产生和脱落使管子的两侧产生垂直于流向周期性变化的激振力,导致管子发生振动。
其振动频率等于漩涡脱落频率,用式fv=SLv/do计算,由此可见,当管径do一定时,流速v越大,流体诱导振动频率fv越大。
当漩涡脱落频率接近或等于管子固有频率时,就会产生强烈的振动。
1.1.2紊流抖振紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量,当紊流脉动的主频率ftb与管子的固有频率相近或相等时,管子吸收能量并产生振动[2]。
脉动的主频率ftb由式ftb=vdolt3051-dot2+0.28计算。
通常认为,当管子间距较大时,卡曼漩涡的影响是主要的;当管子间距较小时,由于没有足够的空间产生漩涡分离,紊流的影响是主要的。
当管子间距与管径之比小于1.5时,漩涡分离一般不会引起管子大振幅的振动。
1.1.3流体弹性激振当流体横向流过管束时,由于流动状态的复杂性,可能使管束中某一根管子偏离其原来的静止位置,发生瞬时位移,这会改变其周围的流场,从而破坏相邻管子上的力平衡,使之产生位移而处于振动状态。
当流体速度大到某一程度时,流体弹性力对管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功,管子的响应振动振幅将迅速增大,直到管子间相互碰撞而造成破坏。
发生流体弹性激振时,横流速度的临界值用式vo=βfnmeδoρd2o1/2计算。
研究表明,流体速度较低时,振动可能由漩涡脱落或紊流抖振引起[3],而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振。
管壳式换热器的常见故障有管子振动
振动影响
设备损坏
长期振动会导致管子、连 接件和支撑结构疲劳损坏， 影响设备使用寿命。
能耗增加
振动可能导致流体流动阻 力增加，使设备能耗增加。
测量误差
振动可能导致测量仪表的 误差增大，影响工艺控制 精度。
振动解决方案
优化流体流动
通过调整流体入口速度和稳定性，减 少流体对管子的冲击力，
管壳式换热器在制造过程中可能 存在焊接、连接处密封不严等缺 陷，导致设备在使用过程中发生
泄露。
腐蚀与磨损
换热器在运行过程中，管子或壳体 可能受到腐蚀或磨损，导致管子与 壳体之间的密封失效，引发泄露。
操作不当
操作人员在使用过程中未按照规定 操作，如压力、温度控制不当，导 致设备超压或过热，从而引发泄露。
安全风险增加
操作压力、温度等参数控制不 当，可能引发安全事故。
效率下降解决方案
定期清洗
定期对换热器进行清洗，去除 内壁结垢和堵塞物。
调整操作参数
根据实际工况，调整操作压力 、温度等参数，使其处于最佳 工作状态。
更换老化部件
对于老化严重的部件，及时进 行更换。
优化设计
根据实际需求，优化换热器设 计，提高换热效率。
设备老化
操作压力、温度等参数 控制不当，导致换热效
率下降。
长期使用后，设备老化， 热传导性能下降。
效率下降影响
01
02
03
04
能耗增加
为了达到同样的换热效果，需 要增加能源消耗。
生产效率降低
换热效率下降，导致生产流程 受阻，影响整体生产效率。
设备寿命缩短
长期低效运行，会加速设备老 化，缩短设备使用寿命。
换热器振动原因分析及防振措施探讨
♜ 䫿㚽⌨⡑䥩䪰ằ♜
图1 管束及壳程筒体图 䙊䗷ሩ༣〻ޕਓ㇑䶒〟৺ޕਓ㇑ᡰᣅᖡⲴ㇑ᶏޕਓ䶒〟䇑㇇ਟ⸕ˈ㇑ᶏޕਓ䶒 〟 ӵѪ༣〻ޕਓ䶒〟 Ⲵ ᐖਣˈ 䘉ṧቡ֯ᗇޕਓ䶒〟㕙ሿˈ ሬ㠤 通过对壳程入口管面积及入口管所投影的管束入口面积 化分公司高度重视，组织相关专业技术人员进行现场观察、 ⍱䙏໎བྷˈޕਓ༴ተ䜘䱽໎࣐ˈӾ㘼ਟ㜭ᕅ䎧ޕਓ༴㇑ᶏᥟࣘDŽ 计算可知，管束入口面积（0.9㎡）仅为壳程入口面积（1.13 查找分析振动原因，在初步判断为共振后，要求操作单位将 ഐѪ༣〻ӻ䍘ᱟ 䘋 ࠪⲴ㔃ᶴරᔿˈ ਟԕ㘳㲁༣〻ӻ䍘䘋✝ᦒޕಘਾа࠶Ѫ ㎡）的80%左右，这样就使得入口面积缩小，导致流速增 㠚ੁᐖਣ⍱ࣘDŽ䙊䗷ሩᣈ⍱ᶯ৺᭟ᤱᶯᐳ㖞Ⲵ࠶઼᷀䇑㇇ˈቮ䜘ࠪਓ༴⍱䙊䶒 〟ѕ䟽н䏣ˈ нࡠ༣〻ޕਓ䶒〟Ⲵ ˈ ֯ᗇቮ䜘ࠪਓ⍱䙏⅑໎བྷˈ ተ䜘䱽໎࣐ˈ Ӿ㘼ᇩ᱃ᕅ䎧ᕟ㇑䜘࠶ᥟࣘ˗ 表1 换热器主要工艺参数表 Ѫപᇊᣈ⍱ᶯⲴᵶ৺ᇊ䐍㇑䮯ᓖཚ䮯ˈྲєඇ ᣈ⍱ᶯѻ䰤Ⲵ䰤䐍Ѫ 名称 介质 设计压力/MPa 设计温度/℃ 主要材质 设备直径 入口管径 出口管径 PPˈ䳮ԕ䎧ࡠപᇊ㇑ᶏⲴ⭘DŽ ᡰԕਟԕࡔᇊᵜᦒ✝ಘᥟࣘ৺நਛⲴഐѪ㇑༣〻㔃ᶴරᔿнਸ⨶DŽ 壳程 酸性气 0.28 260 Q345R DN1800 DN1200 DN800x2