流体诱发换热器管束的振动

流体诱发换热器管束的振动

摘要：换热器是火力发电厂热力系统中的一项重要设备。通过对换热器管束振动的主要原因及防振措施的分析，为合理设置换热器管束提供了一种可靠的设计方法。

关键词：换热器管束振动防振措施

一、引言

换热器是火力发电厂热力系统中的一项重要设备，它可以提高电厂热效率，节省燃料，并有助于机组安全运行。在换热器设计过程中，流体横向流过管束时，流体诱发的换热器管束振动问题成为设计者考虑的重要环节，如果管束防振设计不合理，在流体流动诱导振动时，会导致管子与管板的连接处的管接头受到反复作用力而产生疲劳破坏，管子之间也可能产生碰撞，另外管子与支撑的折流板之间还会产生剪切破坏与磨损，最终可致使换热管断裂，造成换热器局部失效甚至整体报废，将给使用单位带来很大的损失。

二、管束振动的主要原因

在换热器的运行过程中，为了强化传热和减少结垢，经常采用提高流体流速的方法。然而，在流体流速提高后，会导致管壳式换热器管束的振动，另外，管束与泵、压缩机共振，回转机械产生的直接脉动冲击，换热器经常开停车等，都会导致管束的诱导振动，最终致使管束失效。换热管内外的介质存在很大的温差时，由于换热管轴向受热不均匀，引起的热胀冷缩不均衡，再加上多个折流板对换热管受热伸缩的束缚，很容易引起整个管束在壳体内的振动。如果壳侧流体发生相变，加上壳侧结构设计不合理的话，也会造成壳体内压力不均衡时也容易引起管束的振动。总之，只要存在压力差、温度差等传动力的情况下都是振动产生的诱因。

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。

三、由于管束振动而造成的破坏形式

3.1 换热管被撞击造成破坏

当管束的振幅足够大时，会导致管子之间相互碰撞，位于管束外围的管子与壳体内壁发生碰撞。在碰撞中，管壁磨损越变越薄，最终使换热管开裂的现象发生。

3.2 防冲挡板设置不当和换热管局部失效

应该设置而未设置防冲挡板或防冲挡板设置不当时，流体进入管束时直接冲击换热管束，对换热管和管板造成冲刷腐蚀，同时会因流体分布不均匀及流体流速过高造成换热管局部腐蚀和磨损，甚至引起管束振动。折流板孔和换热管之间一般存在着径向间隙，换热管的横向振动就会引起换热管外壁与折流板的孔内壁间产生反复摩擦，如果折流板厚度较小，就会对管子产生锯切作用，在一段时间后会将管子切断而发生换热管局部失效。

3.3 应力疲劳失效

如果换热管材料本身存在着缺陷，或者由于腐蚀和磨损产生了裂纹等的缺陷，在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的裂纹就会迅速扩展，最终导致管子疲劳失效。

3.4 接头泄漏

管板与换热管连接（简称管接头）的质量是衡量换热器质量的最重要标志，换热器的失效绝大多数集中在管接头上。然而，在工程实际中，由于接头处存在间隙而产生缝隙腐蚀，在拉应力作用下而产生应力腐蚀，在疲劳应力作用下而使接头松动或裂开等，都会造成管接头的泄漏

3.5 冶金失效

振动使换热管产生交变应力，从而导致管子表面的垢层和氧化层脱落，在管子表面留下凹坑，在凹坑处常引起应力集中，致使管子失效。管壳式换热器振动引起的破坏主要是管子的磨损和疲劳断裂，破坏位置位于壳程流体进出口区域附近、折流板缺口附近、管束与管板接头附近和管束外围等。

四、防振措施

4.1 改变流速

较高的流速虽能提高换热器的换热效率，但同时会引起加热器内管道的磨损加快，根据美国HEI《表面式给水加热器标准》碳钢管的管内最高流速不宜超过2.4m/s，不锈钢管的管内流速最高为3m/s。降低U型管内的水流速，严格控制在美国HEI标准规定的范围以内，这就要求增加换热管的根数，加大换热器的外径或加长其长度，但也要符合现场安装的要求。

4.2制定合理的开停车程序

设备运行过程应加强在线监测，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。

4.3 改变换热管的固有频率

4.3.1 减小换热管的跨距换热管在其材料允许使用温度范围内的最大无支撑跨距符合GB151中的规定。

4.3.2 折流板缺口区不布管，使换热管受到所有折流板的支撑。

4.3.3 在不影响横流速度的情况下，折流板之间增设支撑板。

4.3.4 在换热管二阶振型的节点位置处增设支撑件。

4.3.5 U型弯管段设置支撑板或支撑条。

4.4 在壳程沿平行于气流的方向插入纵向隔板，以减小特性长度D，可提高声频，防止声振动，纵向隔板的位置，应错开驻波的节点而靠近波腹。

4.5 改变管束支撑形式

采用新型的纵向流管束支撑，例如折流杆式、空心环式、整圆形异形孔折流板，还可以用折流带或折流棒来代替折流板等。这些方法都可以有效地防止管束振动。

4.6 在换热管外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条，可抑制周期性旋涡的生成。

4.7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；

五、结束语

综上所述，针对流体诱发换热器管束的振动问题，振动主要是有温差过大造成的，提温过快，物料预热不足等等都会导致振动。最好是在事前预防，而不是待振动出现后再去修正。这就要求我们在换热器的设计过程中应该充分考虑各种因素，对换热器做整体防振设计，只有这样才能使我们设计的产品更加完善，操作使用起来更加的安全可靠。

参考文献：

[1] GB151-1999《管壳式换热器》。国家质量技术监督局发布[S]

[2] 蔡锡琮编著《高压给水加热器》。水利电力出版社[M]

[3] 管壳式换热器管束振动分析及防振措施符兴承吴金星。化学工业与工程技术。2003.6