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管壳式换热器管束振动机理及改进措施

文档作者：吴翔文档来源：南京英凯工程设计有限公司		点击数：	更新时间： 2025年08月25日
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上一篇：管壳式换热器振动分析

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管壳式换热器管束振动机理及改进措施
吴翔
(南京英凯工程设计有限公司， 江苏南京21OOO9)
[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。
[关键词]换热器管束；共振；诱因；失效机理；改进措施
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[】]：
f~=SN／d。
式中： 一卡曼涡街旋涡频率；S ．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]：
仁V(1o(3．05(1一 T) +0．28)／lT
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。当
声学驻波频率与卡曼涡街旋涡振动频率或紊流抖
振主导频率相耦合时，会使气体介质所具有的动
能转化为声压波，便发生声学共振。这种驻波环
绕换热管的共鸣振动通常称为声共鸣或声振动，
它是以其声强度、低频率和单调(Pure．Tone)的
噪声来鉴别的[2]。声学驻波频率用下式表示⋯：
f．=nc／2D
式中：fa一声学驻波频率；n．振型数，无因
次；c 声速；D．特性长度，对圆柱形壳体则取内
直径。
1．4流体弹性激振
当流体横向流过换热管时， 由于流动状态
的复杂和非稳定性，可使换热管偏离原来的静止
位置， 发生瞬时位移，这样将改变周围的流场原
状，从而打破相邻换热管上的力平衡，导致产生
位移而处于振动状态。当流体速度达到临界横流
速度时，流体弹性力对换热管束所做的功大于换
热管阻尼作用所消耗的功，换热管的响应振动振
幅将迅速增大，导致产生激烈振动。换热管发生
流体弹性不稳定时的I临界横流速度用下式表示Ⅲ：
V。=I~f．do 6。b
式中：V ．临界横流速度； 一比例系数；fn一
换热管固有频率；d。．换热管外径；6。一质量阻尼
作者简介：吴翔(1961一)，男，江苏南京人，大专，工程师。
长期从事化工设备设计工作。
第10期 吴翔管壳式换热器管束振动机理及改进措施 一63一
参数，无因次；b一指数
2设计中换热管振动诱因的预测
换热器因振动而遭失效破坏是由于流体诱发
换热管束振动的频率与换热管固有频率相耦合，
这时极有可能发生共振，在此临界状态，流体有
很强的激振力迫使换热管强烈振动。换热管束的
管子具有多个固有频率， 每一种固有频率对应一
种不同振型， 当受某一种特定频率的激发荷载作
用时， 就可能发生某种振型的共振。换热管发生
振动的基本条件是各种激振力的频率等于或接近
换热管的固有频率。因此要有效预防共振发生，
必须分别计算出卡曼涡街旋涡振动频率fv、紊流抖
动频率￡、声学驻波频率￡、临界横流速度Vc和换
热管固有频率fo。其判据有可能发生管束振动的情
况有 ”：
(1)卡曼涡街旋涡频率fv与换热管最低固有
频率fo之比大于0．5；
(2)紊流抖动主频率￡与换热管最低固有频
率fn之比大于0．5；
(3)横流速度V大于临界横流速度V。
判据有可能发生声振动的情况是在换热器壳
程内流体为气体或蒸汽在任何振型的声频fa处于下
歹U范围内：0．8fv<1．2￡或0．8>

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