流体诱发换热器管束振动机理与防振

流体诱发换热器管束振动机理与防振

张　颖3　王茂廷　李大广

(辽宁石油化工大学)

摘　要　对管壳式换热器管束常见的振动破坏形式进行了归纳,对管束振动的机理进行了分析,并提出了相应的防振措施。

关键词　管壳式换热器　管束　振动　防振措施

随着石油、化学、动力工业的大型化和原子能工业的发展,管壳式换热器的尺寸趋于大型化,折流板间距随之增大,与此对应的是管束的刚性降低了。为了提高生产效率,增加传热系数,壳程流体的速度往往很大。加之运行工况不稳定等因素的影响,经常引起换热器管束发生流体诱导振动,造成换热器局部失效甚至整体报废,给工厂带来巨大损失。目前已引起世界各国的普遍重视。针对这种情况,本文在分析管壳式换热器管束振动机理的基础上,有针对性地提出了防振措施。

1　换热器的振动破坏形式

随着流体的流动,换热器内的传热元件总会产生一些微小的振动,这并不会导致损坏。只有当流体诱发振动的频率与传热元件的固有频率一致或相当接近时,传热元件的振幅激增,才导致破坏。通常,传热管是换热器中挠性最大的部件,对振动也最敏感。因此,大多数振动破坏都是换热器管束的机械损坏。在实际工程中常见的破坏形式主要有以下几种:

111　撞击破坏

当管子振动的振幅大到足以使相邻管子互相撞击,或边缘管不断击打壳体,在管子的撞击部位将产生特有的菱形磨损形式,管壁不断减薄而至最后开裂。

112　挡板损伤

为了便于安装,一般挡板开孔较管子直径略大,当挡板较薄时,管子振动会在管壁与挡板孔边缘之间产生较高的接触力,对管子有一种锯割作用,短时间内即可将管子切开发生局部失效。

113　接头泄漏

管子与管板的连接处是换热器中十分重要的结构,然而在工程实际中,由于管子振动使管子与管板连接处受力较大,从而导致胀接或焊接点的损坏,造成泄漏。

114　应力疲劳

管子振动的振幅较大时,管子反复弯折的扭弯应力较高,长时间的连续振动会使管子断裂。这种损伤还会由于腐蚀作用而加速。115　冶金失效

振动使换热管产生交变应力,导致管子表层的氧化层脱落,管子表面留下坑点。在坑点处引起应力集中,导致管子失效,缩短了管子寿命。

3张颖,女,1981年2月生,硕士研究生。抚顺市,113001。

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116　材料缺陷扩展

振动所引起的应力脉动会使管材中的微观缺陷扩展,以致产生大裂纹,最终使管子受到破坏。

2　流体诱发换热器管束振动机理

管壳式换热器管束振动主要是由壳程流体流动所引起的,而管程流体流动的影响可忽略不计。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。

211　漩涡脱落诱导振动

当流体　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,致使圆管上的压力分布也呈周期性变化。圆管两侧的静压不同,产生一个垂直于流动方向的升力,其大小与方向随漩涡的脱落而不断变化。正是由于这种升力的交替变化,导致了圆管与流体流动方向垂直的振动。同样,由于漩涡的脱落也使流动阻力发生交替性变化,从而导致圆管在流体流动方向上的振动。圆管的振动频率与漩涡的脱落频率有关,但理论上求解漩涡脱落频率相当困难,因此工程实际中一般用str ouhal数来确定漩涡脱落的频率。漩涡脱落的频率为

f v=SU0/D

式中　f

v

———漩涡脱落的频率,Hz

U

———来流速度,m/s

D———圆柱体直径,m;非圆柱体时,

为垂直于来流的最大宽度

由此可见,当管径一定时,流速越大流体诱导振动频率越大。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。

212　紊流抖振

紊流抖振是一个由随机力作用的衰减振动,管子仅在其固有频率附近产生响应,振动的峰值出现在脉动力的主频率与管子的固有频率重合之处。脉动力的主频率f

b

为

f b=

U d0

TL

31051-

d0

T

2

+0128

式中　f

b

———紊流脉动的频率,Hz

U———相邻两管间的流体平均速度,m/s

d

———管子的外径,m

T———管束的横向管间距,m

L———两个连续管排间的中心线距离,m 紊流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。由紊流抖振而诱发的振动不很规律,较少导致大范围的共振响应。紊流抖振不是导致管子破坏的主要原因,而是产生流体弹性激振的重要因素。

213　流体弹性激振

换热器内密集的管束中,任何一根管子的运动都会改变周围的流场。流场的改变则使作用在相邻管子上的流体发生相应的改变,从而使受力作用的管子发生振动,从而进一步改变了作用在其中的流体力。一根管子的位移会对相邻的管子施加流体力而使其也产生位移。这种流体力与弹性位移的相互作用就叫做流体弹性激振。它一般是在已有其它机理诱发起管子运动的情况下产生的。其特点是流体速度一旦超过某一临界速度值并稍有增加时,振幅即有大幅度增加,若阻尼不太大时,形成的振幅将一直增大到管子互相碰撞。这种振动在流体速度减小到远低于初始速度时仍会持续。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,而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振。

214　声共鸣

当流体的激振频率接近于换热器内空气的柱振动的固有频率时,就会在换热器内产生声共鸣。其产生的原因是在一定条件下,卡曼漩涡的漩涡脱离会激起室壁之间的某阶驻波,这种驻波在管壳之间来回反射,不断向外传播能量,卡曼漩涡却不断输入能量。当卡曼漩涡频

率f

v

与声学驻波频率f

a

之比在018～112范围

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《化工装备技术》第29卷第2期2008年