管壳式换热器管束振动机理及改进措施
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
管壳式换热器振动分析和预防
第 57 卷第 1 期2020 年 2 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 57 No. 1Feb. 2020·单元设备·管壳式换热器振动分析和预防周海鸽（中国昆仑工程有限公司，北京 100037）摘 要：总结了管壳式换热器管束振动的机理和判据，提出了预防管束振动发生的多种措施。
同时借助于换热器计算软件HTRI 的振动分析模块，对PTA 工厂中某浆料预热器进行了振动模拟分析。
通过设计参数的调整，在设计阶段即可预防振动的发生。
关键词：换热器；设计；振动；措施；HTRI中图分类号：TQ 050.2；TH 122 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）01-0029-004收稿日期：2019-09-17作者简介： 周海鸽（1979—），女，高级工程师。
主要研究方向为精对苯二甲酸（PTA ）装置的化工工艺和工艺设备设计。
管壳式换热器是石化行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，适用范围从真空到超高压（超过100 MPa ），从低温到高温（超过1 100 ℃），约占市场65%以上的份额 [1]。
随着石化装置的大型化，管壳式换热器的尺寸也越来越大，由于换热器的管束振动而引起的换热设备破坏的事件屡见不鲜，不仅造成了巨大的经济损失，还存在着严重的安全隐患。
因而，换热器设计时的振动分析和防振设计越来越受到设计人员的重视。
1 管束产生振动的机理和判据诱发管束振动的主要原因是垂直于管束的横向流诱振。
目前比较认可的振动机理是“卡门旋涡”“紊流抖动”“流体弹性不稳定”和“声共振” [2]。
但是引起管束振动的原因是十分复杂的，除了上述机理外，学术界还提出了“射流不稳定”“射流转换”“两相流静压脉动”“尾流摆动”等机理 [3]，因此在设计中，很难对引起振动的机理做出明确的判断。
当壳程流体出现以下任一情况时，都有可能发生管束振动，引起管束破坏 [2]：换热管的最大振幅y max ＞0.02 d （4）当壳程流体为气体或蒸汽时，出现下列情况，有可能发生声振动，引起管束破坏：（1）卡门旋涡频率换热器最低固有频率＞0.5=f v f n （2）紊流抖振主频率换热器最低固有频率＞0.5=f t f n （3）横流速度临界横流速度＞1=V V c（5）声频卡门旋涡频率＜1.20.8＜=f a f v （6）声频紊流抖振主频率＜1.2或0.8＜=f a f t式（1）~（6）中，卡门旋涡频率:f S d V v to=（7）式中 S t ——斯特罗哈数；V ——横流速度， m/s ； d o ——换热管外径，m 。
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
管壳式换热器常见失效形式浅析及对策探讨
管壳式换热器常见失效形式浅析及对策探讨发布时间:2008-10-23摘要：先从管壳式换热器的几个敏感部位出发,分析了其主要的失效形式,并提出了相应的预防措施和治理方法。
然后分别指出振动、腐蚀、选材、三个对换热器失效影响最大的因素,同时引用了新的方法对换热器的振动失效评估进行了浅析。
关键词：管壳式换热器失效对策0 引言管壳式换热器是石油化工领域应用最广泛的换热设备之一。
但是,由于选材、加工制造、使用、等众多因素的影响,换热器的失效却屡见不鲜。
企业也因此遭受了不可估计的经济损失。
本文从工程实际中换热器最容易失效的敏感部位出发,综合分析了各种失效形式,明确了促使其发展的关键因素。
同时,对各种失效形式也提出了相应的预防措施。
1 管壳式换热器敏感部位的失效形式及对策1.1 换热管与管板的连接处由于换热管与管板的连接处属于几何形状突变处,再加上连接方式和焊后热处理的不当、温差应力的存在、换热管与管板材料选择的差异性等因素,使管口与管板连接处可能存在较大的残余应力,焊接部位呈隐性缺陷状态(含有气孔,杂质等)。
在壳程流体的诱导振动和其腐蚀性的双重作用下,管口与管板连接处便出现了应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀和振动疲劳破坏。
并且它们之间的相互促进,又进一步加大了连接处的破坏速度。
以下措施对提高连接处的使用寿命有一定的意义。
(1)连接方式采用先焊后胀的顺序,并且采用机械液压胀接,焊后要做相应的热处理。
换热管伸出管板的尺寸可以适当加长。
(2)换热管的材质与管板的材质尽量匹配,这样可以消除不同材料接触所形成的电势差,有利于从根本上控制管程和壳程的双侧腐蚀问题。
同时换热管材质的硬度要低于管板材质的硬度,使管板与换热管的胀接得到最佳组合。
同样,焊条的选择也是不可忽略的因素。
1.2 换热管与折流板的配合处为了加工制造的方便和使用中能充分吸收换热管的热膨胀量,折流板与换热管的配合处常留有一定的间隙。
在壳程流体的冲击下,此间隙逐渐加大,导致折流板切割换热管,从而引起强大的振动噪音和换热管的泄漏失效。
U形管式换热器振动原因分析及应对措施
571 概述某化工公司共设置有2台蒸汽甲醇换热器，主要作用是将饱和气相甲醇进行过热，确保出口气相甲醇满足工艺生产所需的温度，进而保证催化反应正常进行。
结构为U形管卧式换热器，采用并联形式，管程介质为中压饱和蒸汽，壳程介质为甲醇，设备简图见图1。
图1 蒸汽甲醇换热器简图设备工艺参数详见表1。
表1 蒸汽甲醇换热器设计及操作参数项目壳程管程备注工作压力/Mpa 0.3 3.3设计压力/Mpa 4.28 5.35工作温度/℃258250设计温度/℃270285介质甲醇中压蒸汽2 故障现象自2016年该换热器投用以来，发现其存在较大振动并伴随异响，换热器在运行期间管板法兰多次出现泄漏。
2017年检修期间对该换热器进行检查发现换热器管束出现泄漏，管束U形结构位置出现局部变形。
2017年运行期间对换热器振动及噪音进行检测分析认为换热器振动及异响原因是，换热器壳程入口防冲板刚性支撑强度不够，流体冲击防冲板和所在的支撑拉杆而产生颤动，导致振动及异响的发生。
检修期间对该换热器壳程入口增加防冲板结构，振动及异响没有得到有效解决。
3 原因分析3.1 换热器结构设计存在隐患。
壳程入口防冲挡板强度不足。
换热器壳程工艺介质设计流量240t/h，介质走向如图1结构图所示，换热器管束U形结构位于壳程入口位置，当设备正常投用时工艺介质正对防冲挡板，对防冲挡板产生冲刷。
运行期间对换热器入口法兰监测发现，2台换热器壳程入口位置振动分别为1.0mm/s、1.1mm/s，与2017年换热器检修检查结果对照发现，管束变形位置主要集中在U形弯处，印证了防冲挡板强度不足。
壳程入口线速过高。
查换热器设计入口流速为35.72m/s，大流量高流速工艺介质对管束产生较大的冲击。
从管束与流体的相互作用分析，因上述已经分析了换热器变形和振动较大位置集中在U形弯处，此处也同时存在弹性不稳定现象，从而导致工艺介质发生弹性不稳定，诱发了换热管之间、换热管与折流板之间产生振动相互碰撞。
管壳式换热器管束振动机理及改进措施
管壳式换热器管束振动机理及改进措施吴翔【摘要】以往设计管壳式换热器时只注重强度、刚度、温差应力等计算而忽视了换热器管束振动对设备的危害。
本文分析了管壳式换热器管束振动的成因，阐述了管束振动引起损坏失效的机理，提出了改进措施。
【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】3页(P62-64)【关键词】换热器管束;共振;诱因;失效机理;改进措施【作者】吴翔【作者单位】南京英凯工程设计有限公司,江苏南京210009【正文语种】中文在管壳式换热器失效损坏分析中可以看出，管束振动造成的损坏占有相当比例。
随着石油化工装置日益向大型化发展，换热器尺寸越做越大，操作工艺条件越发苛刻，这就要求设计人员在管壳式换热器设计中，应充分考虑各种因素，其中包括管束振动带来的问题。
而这往往被设计人员所忽视。
管束振动问题应做到事先预防，在设计阶段就应统筹考虑解决，而不是在装置操作运行中发生振动问题后再去补救整改。
1 流体诱发管束振动管壳式换热器流体（气体或液体）诱发管束振动的主要成因有五种，即卡曼涡街旋涡脱落、紊流抖动、流体弹性激振、声共振和流体脉动。
1.1 卡曼涡街旋涡当流体横向掠过换热管时，在流体雷诺数大到一定值时，管子迎流体背面两侧产生周期性交替脱落非对称排列的旋涡尾流，就是卡曼涡街旋涡。
旋涡周期性交替产生脱落，使管子产生垂直于流体方向周期性变化的激振力而导致换热管振动。
振动频率用下式表示[1]：式中：fv -卡曼涡街旋涡频率；St -斯特罗哈数，无因次；V -横流速度；do -换热管外径1.2 紊流抖振紊流中脉动变化的压力和速度场源源不断地提供给换热管能量，对换热管施加一随机的激振力，当受脉动激发主频率与换热管固有频率相近时，换热管吸收能量而产生振动。
紊流抖振主导频率用下式表示[1]：式中：ft -紊流抖振主频率；T-换热管横向管中心距；l -换热管纵向管中心距；V -横流速度；do -换热管外径1.3 声共振换热器壳程中气体或蒸汽流过换热管时，在与流体和换热管轴线均垂直的方向上形成声学驻波，并在壳程内筒壁之间穿过管束来回反射。
管壳式换热器管束失效形式预防措施及在线检验方法
管壳式换热器管束失效形式预防措施及在线检验方法摘要：管壳式换热器由于结构复杂和工况的多样性，常引发多种形式的失效。
本文阐述了管壳式换热器常见的失效形式、失效的原因及预防措施，介绍了管壳式换热器失效的在线检测方法，为管壳式换热器的设计、制造和使用提供借鉴。
关键词：管壳式换热器管束失效预防措施1 .前言钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强和选材广等优点而广泛应用于石化生产行业。
然而，由于结构的复杂性和使用工况的多样性，也常常出现局部失效甚至整体报废。
某石化公司各生产装置管束式换热器每年故障及更换管束所花费就达数百万元，而且影响装置生产的平稳运行及环保达标。
2 .管壳式换热器管束失效形式及预防措施管壳式换热器的主要零部件包括筒体、换热管、接管、管板、折流板、封头等，在不同的工况和介质环境下，可能会发生多种形式的失效。
从结构上分析，易发失效的部位是各构件间的连接处，如管子和管板的连接处；从受力角度分析，尤其是应力突变处易引起失效，如筒体和管板的焊缝处；从使用工况分析，频繁地开停机而引起换热管的流体诱导振动、由于高温高压而引起热应力或附加应力、工作介质具有腐蚀性等，都会造成筒体、换热管甚至整机失效。
2.1振动失效壳程流体流速的提高及换热器经常开停会导致管束的诱导振动，最终使管束失效。
由于管束的支撑物——折流板的尺寸及布置不同，流体诱导振动的程度各异，具体的失效形式有：①碰撞破坏。
当管束的振幅足够大时，换热管之间互相碰撞，管束外围的换热管与壳体内壁发生碰撞，使管壁磨损变薄，最终发生开裂；②折流板处换热管切开。
折流板孔和换热管之间一般存在径向间隙，换热管的横向振动会引起管外壁与折流板孔的内表面产生摩擦，如果折流板的厚度较小，就会对换热器产生“锯切”作用，在短时间内将换热管“切开”发生局部失效；③疲劳失效。
换热管材料本身存在缺陷或者由于腐蚀和磨损产生了缺陷，在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的裂纹会迅速扩展，导致换热管疲劳失效。
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。
U型管换热器振动的分析计算及处理对策
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管壳式换热器论文：管壳式换热器管束失效问题的分析
管壳式换热器论文：管壳式换热器管束失效问题的分析摘要：随着社会的快速发展，换热器的型式也越来越繁多，在不同场合均可以见到。
而作为管壳式换热器由于结构简单、造价低廉、清洗方便、便于安装检修，被广泛应用在各个领域中。
但笔者在压力容器年检过程中发现由于以上的优点而简单地被应用到一些生产中，不考虑介质的特性和生产工艺使得作为管壳式换热器重要组成部分的管束失效。
本文通过我市一喷涂行业在采用管壳式换热器在使用中发现管束失效的例子，来分析管束失效的一些起因，以便探讨在其设计、制造、使用中如何规范。
关键词：管壳式换热器、问题分析一、设备构造1、该管壳式换热器是喷涂行业在利用加热喷涂的重要设备，采用的是固定管板式换热器，其结构如下：其中管子尺寸为∮32*3，材质为20#，管壳式换热器设计参数如表1。
由于烘烤废气主要是燃料煤的燃烧后的高温气体经过烘烤彩板后的废气，温度达600℃左右，而作为喷涂原料基础油，又必须在60℃时在其他热源配合下喷涂效果最佳。
因此该企业采用管壳式换热器由烘烤废气通过管程，原料基础油通过壳程，两者逆流流动，通过管束换热，达到以下二个作用：提高原料基础油出油温度，以便工艺要求；降低废气排气温度，符合节能要求。
2、检测情况通过检查，发现壳程有轻微腐蚀，最小壁厚为13.5 mm，腐蚀量为0.5mm，左管板与管子焊接处的接头产生裂纹而泄露，管束中心5根管子靠左前部有局部溃疡性腐蚀，管壁穿孔，导致管束失效，运行时间为2年7个月。
二、管束失效原因分析1. 结垢是管束失效的基本原因现场发现，在管束内壁由于烘烤废气在进入换热器后流速下降，废气中的灰粉和未燃尽颗粒沉积在壁面上，通过测量，发现管子内壁前半部粘附着灰粒达1mm厚，而管束外壁，由于喷涂原料化学安定性差，在外壁均布污垢，特别在管板和管束交界处，基础油有堆积沉淀现象。
对于换热器本身来说，虽然起金属导热系数很大，起热阻可以忽略，但当其运行一段时间后，壁面内外均结有污垢，污垢的热阻使得管壳式换热器工作效率下降，导致喷涂原料基础油出口温度达不到预定的要求，无法满足工艺要求。
管束振动原因及预防
管束振动原因及预防换热器振动随着生产规模的扩大，热交换器的尺寸、流体的流速、支承的跨距都随之增大，甚至超过允许的限度，从而降低了管束的刚性，增加了产生振动的可能。
振动可使管子发生泄漏、磨损、疲劳、断裂，甚至伴随着刺耳的噪声，这就不仅降低设备的寿命，也有损于人们的健康。
振动一旦形成事故，往往要花较长时间进行分析和修复。
由于影响振动的因素错综复杂，阻尼作用的大小难以准确估计以及管子磨损和破坏的速度难以确定，对它们还不能用简单的数学公式加以描述等原因，可以说迄今为止的理论计算方法，还不能用在工程实际中准确地分析振动。
有关热交换器的现有规范中，对振动分析方法与防振设计准则也都还缺乏明确的规定。
但是实践已经证明，若能在设计时利用现有的研究成果对振动进行必要的估算、分析，并采取一些防振措施，那么，一些破坏性的振动多半可以避免。
流体诱发振动的原因热交换器的管束属于弹性体，被流过的流体扰动，离开其平衡位置，管子产生振动，这种振动称为流动引起的振动。
实际上每台热交换器在工作时都有或多或少的振动，其振源可能是壳侧或管侧流体流动所引起的振动；流体速度的波动或脉动引起的振动；通过管道或支架传播的动力机械振动等等。
有时振源可能较多，而其中的一个或几个可能是激起振动的主要根源。
有的振源，相对来说容易预测，而流体诱发的振动却比较难以预计。
一些实验和运行经验表明，热交换器的振动主要是壳侧流体的流动所引起，管侧流体流动所引起的振动常可忽略。
一般情况下，在壳侧流体中，与管轴方向平行流动的纵向流所激发的振动的振幅小，由振动造成结构破坏的概率，也比横向流动要小得多。
因此，人们更为关心的是横向流引起的振动问题。
目前巳被公认的导致流体诱发振动的三种不同的原因是：涡流脱落、湍流抖振和流体弹性旋转（或称流体弹性不稳定）。
(1)涡流脱落流体横向流过单根圆柱体时，在较大的雷诺数下，管后尾流中形成的卡门(karman)漩涡（或称卡门涡街）使两列方向相反的漩涡周期性地交替脱落，产生了一定的脱落频率。
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。
管壳式换热器常见问题及处理措施研究
管壳式换热器常见问题及处理措施研究摘要：换热器是化工行业生产中一种重要的设备，在实际生产过程中，由于多种原因导致换热器发生故障，降低了换热器的工作效率和质量，为化工企业带来一定的经济损失，因此，必须要采取有效的措施加强对换热器故障的处理。
本文以管壳式换热器为研究对象，分析了换热器在生产过程中常见的结垢、腐蚀和泄漏等问题以及造成这些问题的原因，并结合实际情况提出了相应的解决措施。
关键词：管壳式换热器；常见问题；解决措施换热器作为化工生产中一种重要的设备，其主要作用是将热能在不同流体之间进行传递，以实现加热、冷却或温度调节的过程。
换热器在众多领域都得到广泛的应用，包括石油化工、能源、汽车以及食品工业等行业。
其中管壳式换热器的用量非常大，占90%以上。
管壳式换热器按结构可分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管式换热器、、折流杆式换热器等。
一、管壳式换热器常见问题（一）换热器的腐蚀问题换热器在使用过程中，由于介质特性、操作条件、材料选择等因素导致换热器设备表面逐渐受到化学或电化学反映的影响，从而使金属材料受损。
腐蚀可能导致换热器安全性能下降、寿命缩短甚至设备失效。
腐蚀的产生主要与以下因素有关：（1）流体特性：流体的酸碱性、盐度、温度和氧含量等都会影响腐蚀速率。
（2）材料选择：使用不合适的材料或者金属材料中存在杂质都可能加速腐蚀。
（3）操作环境：高温、高压、潮湿、腐蚀性气体等环境条件都可能加速腐蚀。
（4）化学反应：流体中的化学反应可能导致产生腐蚀性产物，加速腐蚀过程。
在实际生产过程中，由于长时间的运行，换热器可能受到某种或多种类型的腐蚀，根据腐蚀原理不同，换热器主要受到的腐蚀类型有以下三类：一是物理腐蚀，这类腐蚀产生的原因是由于换热设备接触一种或多种具有较强的腐蚀性的化工原料，在长期的设备运转过程中，换热器表面及其内部金属层会出现较为严重的磨损或者腐蚀情况；二是电化学腐蚀，这类的腐蚀是由于介质沉淀物在流体流速的影响下呈现不均匀分布状态，甚至出现黏连问题，导致沉淀物形成裂缝和间隙，使换热器不同部件之间产生电化学腐蚀；三是应力腐蚀，这类腐蚀是在换热器受外加应力、残余应力与腐蚀的共同作用下而产生的，常出现在接触表面。
换热设备第1讲-振动及防止
管子的自振频率
几个概念 自振频率（固有频率） 基频
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管子的自振频率-单跨管
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管子的自振频率-单跨管
X=0时, y(0)=y’(0)=0 X=l时, y(l)=y’(l)=0
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管子的自振频率-多跨管
实际换热器中的管子都是多跨管（跨距相等） 将管子两端看为固支，中间折流板处看作简支 求解的思路： 可利用边界条件，及折流板支撑处的连续条件
ρs-壳程流体的密度 kg/m3
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横向流诱发振动的原因(5)
射流转换 横向流体以很高速度流经节径比很小的管子时，在
尾流中可观察到射流对的出现。 （很高时 V/fnd0>75）
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横向流诱发振动的原因(总结)
横向流速低时 卡曼漩涡 紊流抖振 声振动 （壳程流体为气体时）
横向流速高时 流体弹性激振 射流转换引起的管子振动 （很高时 V/fnd0>75）
典型的管壳式换热器
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典型的管壳式换热器
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内容
振动带来的危害 横向流诱发振动的原因 防振措施
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振动带来的危害
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振动所带来的危害
1 传热管的碰撞、磨损 2 管子的疲劳破坏（微动疲劳） 3 管子与管板连接处发生泄漏 4 壳程空间发生强烈的噪声 5 增加了壳程的压力降
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工程中实例
杨子石化公司钛冷凝器的失效 PTA装置12台钛冷凝器(总价值1个亿)，经过十年左
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横向流诱发振动的原因(3)
声学驻波示意图
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横向流诱发振动的原因(3)
声学驻波
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横向流诱发振动的原因(3)
声学驻波的频率 fv=nC/2D 1/s
n-驻波阶数，无因次 C-在壳程流体中声音传播速度 D-特征长度，一般指壳体内径
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。
探讨管壳式换热器换热失效的原因及应对措施
探讨管壳式换热器换热失效的原因及应对措施管壳式换热器被工业生产广泛应用，它可以单独使用，也可以通过与各类压缩机配合使用来发挥作用。
为满足工艺工况的需要并实现连续稳定的生产，保持良好的管壳式换热器换热效果是相当有必要的。
本文对管壳式换热器换热效果失效的原因进行分析，并根据失效原因提出相应的解决措施。
一、管壳式换热器结构管壳式换热器主要包括管束、管板、外壳、封头以及折流板等部件，通过胀接、焊接、以及胀焊接等方式可以将管束与管板牢牢固定在一起，而与管板连接的是外壳。
封头上装有流体的出、入口，需要进行热质交换时，一种流体可通过管程流进换热器的管内流动，而另外一种流体则通过壳接管流进壳体与管束间隙内流动。
管束的换热面积为管束的表面积，流进换热器的两种流体温差可通过管壁实现换热。
二、换热器失效的原因管壳式换热器结构较为复杂，且使用条件多样，造成多种形式的换热器失效，本文主要从以下两个方面介绍换热器失效的原因：1.换热管与管板连接失效换热管与管板之间的连接可以根据使用条件的不同分为胀接、焊接以及胀焊接，不同的连接方法可能导致不同形式的失效：（1）胀接。
机械胀接可能会导致换热管过胀或欠胀，致使换热管内壁加工硬化，且与管板连接处的应力分布与其整个连接不一致。
若是遇到应力作用或温差变化的情况，细微的加工缺陷都可能使换热管与管板之间的连接失去效用。
并且，要不及时发现机械胀接引起的连接失效，可能导致整个连接都失去效用。
（2）焊接。
焊接接头附近出现组织塑性变形会形成极大的残余应力以及应力集中，可致使管板与换热器连接失效。
（3）胀焊接。
胀焊接集中了胀接与焊接的优势，但其操作要求较高，操作条件也较为严苛，稍有不当就可能导致连接失效。
2.管束失效结垢为管束失效埋下隐患，基础油流动引起管束振动加速了管束的失效，而管束腐蚀及应力腐蚀直接导致管束失去效用。
进入管束内壁的烘烤废气中灰粉以及未燃尽颗粒沉积结垢，污垢热阻使得换热器传热能力下降，致使原料基础油的出口温度不能满足预订需要，为管束失效埋下隐患。
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。
管壳式换热器的传热强化及管束的振动
机械系和大连理工大学安全装备厂已将这种装置应用于新开发的离心式分子蒸馏器中,用于提取V E的新工艺,并取得了良好的效果。
参 考 文 献 1 于宏寿,王世昌.化学工程手册(第三卷).北京:化学工业出版社,1989. 2 Jacques N uns,A lain Glrault,A lain R ancurel.M o lecularD istillati on A pparatus H aving Inducti on2H eating.美国专利,U SP5,334,299 3 赵国志等.分子蒸馏器及应用.陕西粮油科技,1995,20 (2,3)(收稿日期:2000206201)管壳式换热器的传热强化及管束的振动曾 涛3(四川轻化工学院机电工程系) 摘 要 提高传热系数是管壳式换热器设计制造的主要目标,本文详述了强化传热的方法,并对管束的共振进行了分析。
关键词 换热器 传热 强化 振动0 前言 管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适用性以及在长年操作中积累的丰富经验和制造的简单易行、成本不高等优点,迄今仍在各种换热器中占主导地位。
提高传热效率是所有换热器追求的目标。
管壳式换热器由于设置了折流板,壳程中的流体是以横向即垂直于管子轴线的方向通过管束的。
当气体流速较低时,管束发出的声音与流速成比例地增高。
当频率达到或接近管束横模的声学界限时,就会产生强烈的声响,即换热器管束产生共振。
1 传热强化的途径 111 扩大传热面积 (1)用紧凑式代替管壳式;3曾 涛,女,1967年9月生,硕士研究生,副教授。
自贡市, 643033。
(2)采用合适的内外导流筒; (3)由单程改为双程甚至多程; (4)热传递表面采用扩展表面。
112 减薄管壁[1] 壁厚大,热阻就大;减小壁阻,即提高了传热系数。
113 提高流速 流速提高可增加传热膜系数并减少积垢。
但由传热系数公式可知,只有强化传热膜系数小的一侧才有用。
同时因流速增加,压力降也会增加,并在一定条件下使换热管出现诱发振动,因而流速的增加也要受到一定的限制。
浅谈管壳式换热器的常见故障及解决措施
浅谈管壳式换热器的常见故障及解决措施摘要：管壳式换热器是在化工生产中一种用途非常广泛，也是一种非常常见的换热设备。
无论从生产角度还是安全角度，如何快速有效地减少或解决设备故障都具有极其重要的意义。
本文根据天津渤天化工有限责任公司在多年的生产过程中常见故障产生的原因进行了简要分析并提出合理的解决措施。
关键词：管壳式换热器；常见故障；维修；解决措施管壳式换热器是在化工行业中一种非常常见并且应用较为广泛的换热设备,这种设备的具有构造简单、制造成本低、易于安装、运行维护方便等特点,并且能够在较恶劣的工况条件下工作,所以这种设备在化工生产设备选型中具有较高的优势。
因此，当故障出现时我们应该如何快速有效的分析并解决故障，就成为了我们设备专业技术人员应当考虑的首要问题。
1.管壳式换热器原理及分类管壳式换热器又称列管式换热器，是一种由壳体和包含许多管子的管束所构成，在冷媒、热媒流量较稳定的条件下，使供热量和需热量能够达到平衡状态的一种设备。
换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。
管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。
具有结构简单、造价低、流通截面较宽、易于维护保养及清洗，制造材料广泛、能在较高温度及压力下使用，并且能够节约能耗，缺点是传热系数低、占地面积大等优点。
管壳式换热器按类型可分为固定管板式、带膨胀节管壳式、浮头式、U形管壳式、波节型管壳式、分段式等。
2.换热器的常见故障及原因引起管壳式换热常见故障主要有，一是由于换热器厂家设计及制造工艺不成熟、换热器管壁穿孔、管与管板的连接处出现泄漏等原因引起的出口压力波动大。
二是由于管壁结垢或油污吸附、管壁蚀漏、管口胀管处或焊接处松动或漏蚀等原因引起的换热效率低。
三是由于密封垫片老化、断裂，紧固螺栓松动等原因引起的封头(浮头)与壳体连接处泄漏；四是由于介质流动激振而引起的换热器管束异常振动。