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。

1.1.4声共鸣[4]当气体横向流过平行排列的管束时,可能会产生既垂直于管子又垂直于流动方向的声驻波,并在换热器内壁之间穿过管束来回反射。

同时,气体横掠管束时,在管子的背侧形成漩涡分离,即卡曼涡街。

当卡曼涡街频率fv和换热器壳程声驻波频率fa一致时,产生耦合,使流动介质所具有的动能“转化”为声压波,从而引起换热器振动和强烈的噪声。

声共振只发生在壳程流体为气体的情况,而对于壳程流体为液体的情况,由于声波在液体中的传播速度很大(波长很大),而换热器的直径相对较小,因此难以满足驻波形成的条件。

声驻波频率由式fa=nC2L+计算。

215脉动流诱发振动流体脉动引起的管子振动属于强迫振动,如化肥厂中往复式压缩机冷却器常因为脉动流而发生振动破坏。

但目前对这种振动机理研究得还很少。

二、防振措施
换热管的振动是不可避免的,轻微的振动不但不会带来损坏,而且还有强化传热和减少结垢的作用。

但强烈振动应采取必要的防振措施以减缓振动,避免换热器的振动破坏。

通
过上述分析可知,抗振的根本途径是激振力频率尽量避开管子的固有频率。

工程实践中可采取以下具体的抗振方法:
a)制定合理的开停工程序,加强在线监测,严格控制运行条件,在流体入口前设置缓冲板或导流筒,既可以避免流体直接冲击管束,降低流速,又可以减小流体脉冲;
b)降低壳程流体流速可以降低流体诱导振动的频率,是防止管束振动最直接的方法,但同时传热效率也会随之降低;
c)适当减小折流板间距,增大管壁厚度和折流板厚度,折流板上的管孔与管子采用紧密配合,间隙不要过大,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管子固有频率;
d)改变管束支撑形式,采用新型纵向流管束支撑,如折流杆式、空心环式及整圆形异形孔折流板等,可有效消除流体诱导振动,也可减小壳程压力降。