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换热器振动失效分析

文档作者：齐琦王龙杰陈大野张洪伟4 文档来源： 1．黑龙江省机械科学研究院 2．中国石油天然气第八建设有限公司 3．大唐哈尔滨第一热电厂		点击数：	更新时间： 2024年09月21日
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机械工程师
————————————————■————一MECHANICAL ENGINEER
齐琦1。王龙杰z。陈大野，。张洪伟4
(1．黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨150040；2．中国石油天然气第八建设有限公司，辽宁抚顺113000；
3．大唐哈尔滨第一热电厂，哈尔滨150078；4．齐齐哈尔北方机器有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161000)
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。
关键词：换热器，振动．管束
中图分类号：TQ 051．5 文献标志码：B 文章编号：1002—2333(2016)06—0121—02
1引起振动的机理
J．J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
工=sJ4。(1)
式中：&amp;amp;为斯特罗哈数；磊为管径i‘为振动频率；”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丘定义为
f∞=vdo[3．05(1-do／t)2+0．28]／(此o (2)
式中：沩管束横向中心距；z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
板管孑L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：
vo=13f．(m≯dpfo)此； (3)
A=o．159C．、／E酬，以)。(4)
式中：砜为单位管长的有效质量；p为流体密度；卢为临界
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
L=nc／(2L+)。(5)
式中：￡+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
＼
弹性不稳定]
漩--涡分1离飘’
流速
图1诱导振动与振幅的关系曲线
机理与振幅和⋯ ⋯ ⋯——
流速的定性关系如图1所示。
2影响振动的因素
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．，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)，
表1 壳程各股流体的质量分数％
网址：wwW．jxgcs com电邮：hrbengineer@163．com 2016年第6期i 1 2 1
万方数据
机械工程师
————●——————●●————————■———●————一MECHANICAL ENGINEER
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El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陛，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。
3基于ANSYS的振动特性分析
表2换热器基础参数
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。
4综合性能评定
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。
[参考文献】
[1]管壳式换热器：GBl51-1999[S]．
[2]列管式换热器：TEMA一1999[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]l华北石油设计，
2002(1)：30一31．
(编辑明涛)
作者简介：齐琦(1988一)，女，助理工程师。
收稿日期：2016一01—27

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