换热器振动失效分析

换热器振动失效分析
齐琦;王龙杰;陈大野;张洪伟
【摘要】换热器是石油化工系统应用广泛的过程设备之一,它可以完成物流之间的热量传递,进一步满足产品对工艺的要求.随着换热器的大型化和流体流动的高速化,发生振动的可能性在逐步增加,有关振动破坏的事例逐年增多.文中对换热器的振动问题进行分析并提出合理的抗振方法.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】2页(P121-122)
【关键词】换热器;振动;管束
【作者】齐琦;王龙杰;陈大野;张洪伟
【作者单位】黑龙江省机械科学研究院,哈尔滨150040;中国石油天然气第八建设有限公司,辽宁抚顺113000;大唐哈尔滨第一热电厂,哈尔滨150078;齐齐哈尔北方机器有限责任公司,黑龙江齐齐哈尔161000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5
1.1 漩涡分离
换热管的流体在雷诺数比较大的时候，容易在背面两侧发生脱离漩涡，即某一刻某一侧产生漩涡，而另一侧的漩涡恰好与换热管脱离；下一刻刚好相反，产生漩涡的一侧漩涡长大、分离，分离漩涡的一侧又重新生成、长大。

导致换热管发生振动，
振动频率公式为
式中：SL为斯特罗哈数；d0为管径；fv为振动频率；v为流速。

当振动频率和管道的固有频率一旦相同，就会发生共振现象。

1.2 紊流抖振
当紊流脉动的主频率ftb定义为
式中：t为管束横向中心距；l为跨长。

一般情况下，由于紊流抖振引发的振动具有一定的随机性，换热管仅在其固有频率附近产生响应，因此它不是引起换热管失效的主要原因，可以认为它是引起流体弹性不稳定的主要原因。

1.3 弹性不稳定
从管束与流体的相互作用考虑，弹性不稳定是一类流固耦合现象，流体弹性不稳定现象是在其他诱导振动机理的基础上产生的，它会使换热管之间、换热管与折流板管孔之间相互碰撞。

流体弹性激振时，横流速度的“临界值”计算公式：
式中：me为单位管长的有效质量；ρ为流体密度；β为临界不稳定常数。

1.4 声共鸣
声共鸣只发生在壳程流体为气体的情况，声驻波频率计算公式为
式中：L+为特征长度；n为振型常数；c为介质参数。

通常我们认为紊流抖振发生的区域是管束深处，而漩涡分离现象发生的区域主要在管束外围的2～3排处。

有时我们也认为：当管间距较小时，由于既不能保持管束上游几乎平滑的横向流速，又没有足够的管束下游作为产生漩涡分离的空间，因此这种情况漩涡分离机理不是主要的，而紊流抖振机理起主导作用。

前三个诱导振动机理与振幅和流速的定性关系如图1所示。

目前对换热器振动的处理，可以分为两大类：抑制振动和利用振动。

关于利用振动来强化传热（弹性管束换热器）工程上虽有应用，但此结构也受到一些客观条件的
限制，所以对多数振动问题的处理还是选择了前者。

2.1 壳程流体的分布形式
壳程流体是影响换热器振动特性的主要因素，由于它的激励，换热器才产生振动，一般情况下流体在换热器壳体内的分布情况和质量分数分别如图1和图2所示。

从理想化的抗振角度出发，只允许有主流体（B股），其它旁路流体（A股、C股、E股）都应该避免，因为这些区域的局部高速流极易引起局部振动。

1）B股流体为换热器内的主流体，减小折流板的间距可以使B股流体的流量有所增加，抗振动性能提高，传热效率便随之上升，但压力损失也有所增大。

2）A股流体的流量大小与换热管与折流板管口之间的径向间隙有关，此间隙对管束的振动特性影响较大（前面已经说明），减小径向间距，可以降低A股流体的
流量。

3）C股流体与排管方式（正三角、正方形、转角正三角、转角正方形）和排管数
量有关，在同样壳体内径的情况下，正三角形排管方式不但换热效果好，而且排管多，对C股流体也有一定的抑制作用。

4）E股流体从折流板外径与壳体内径间的间隙流出，单纯从抗振的观点考虑，此
间隙越小越好，但工程实际中考虑了加工和维修等因素，所以并没有达到理想的情况。

2.2 换热管排列间距
在不影响换热效率的前提下，适当增加管间距后，换热器有以下四个特点：1）在折流板间距不变的情况下，能够降低错流流速。

2）通过增加间距，可以增大由于“临界流速”系数。

3）换热管之间距离的增加，减小了管间由于振动相互碰撞的可能。

4）换热系数随着它的增大而减小，但是减小的规律不是很明显。

2.3 换热管直径
管径的大小对结构的振动也起到一定的作用，在其它条件不变时，应用不同的管径
所得到的固有频率有所不同。

管径不同时，能够引起换热器性能的变化。

2.4 折流板间距
通过减小折流板间距来增加固有频率，但同时也会带来一些工艺上的不足（动力消耗过大等）。

对于传统的弓形折流板，在适当的条件下合理地调整其间距对抗振是最直接也是最有效果的。

几种结构的变化不但增加了“临界流速”，起到的抗振效果也很可观。

但以下两个方面值得我们注意：1）由于在折流板切口处不排管的结构消除了只在每间隔一块折流板才能得到支承的那些换热管的失效危险性，所以它能最有效地解决管束振动问题，并且经济易行。

2）如果我们在两折流板之间的管段，用中间支承板（两边切去弓形的板）加以支承，这样就可以将换热管的跨距减少到任意程度，而实质上对压力损失没有任何影响，而传热效率却有所增加。

折流板间距对振动的影响是最为明显的，并且其间距减小还可以增加“临界流速”，但此时其它的工艺参数就不一定能够满足。

对一台换热器的综合评价主要包括动力消耗、传热功率、传输流体量、体积与重量等。

在满足综合性能的条件下，采取合理化的抗振方法是十分关键的问题。

换热器基础参数如表2所示，对换热器的基本情况有所了解以后，我们下一步将选择合适的方法建立模型，并对其进行加载、网格划分、模态求解等。

换热器实体模型及网格划分如图3所示，各阶固有频率如图4所示。

至此，换热器整体有向上弯曲的趋势，并且有的出现了局部变形，这也告诉我们，对于该换热器在生产中应该尽量避免接近其七八阶固有频率值，以免发生共振，而对其造成大的影响。

利用实体模型所做的模态分析虽然能够模拟实际情况，让我们从宏观上认识了换热器的振型变化，但是建立模型的过程要复杂一些，换热器的振动受多方面因素的影响，今后应加强流体力相位对实际换热器作用的研究。

要彻底弄清楚流体力相位等
诸多因素对换热器振动的影响，所得到的结果还没有做到能够自动判断是否满足工艺的要求，对于这一点还需要完善。

【相关文献】
［1］管壳式换热器：GB151-1999［S］.
［2］列管式换热器：TEMA-1999［S］.
［3］李汉.管壳式换热器振动问题探讨［J］.化工设计，2007，17（1）：17-19.
［4］晋永革，陈建军.换热器的防振设计及措施［J］.华北石油设计，2002（1）：30-31.。