换热器管束振动的原因及防范措施

汽水换热器的设计及振动的消除措施饶欢发布时间：2023-06-14T03:21:48.089Z 来源：《国家科学进展》2023年4期作者：饶欢[导读] 汽水换热器是石化行业生产重要设施，在大流量高流速气相介质换热时，极易出现管束甚至设备本体的振动。

为进一步延长换热器运营寿命，在现阶段汽水换热器结构设计过程中还需要分析导致振动问题出现的原因，制定切实可行的振动消除措施。

针对此，本文首先分析汽水换热器设计情况，提出换热器防振设计要点，制定汽水换热器振动消除措施，以供参考。

身份证号码：37292919911004xxxx摘要：汽水换热器是石化行业生产重要设施，在大流量高流速气相介质换热时，极易出现管束甚至设备本体的振动。

为进一步延长换热器运营寿命，在现阶段汽水换热器结构设计过程中还需要分析导致振动问题出现的原因，制定切实可行的振动消除措施。

针对此，本文首先分析汽水换热器设计情况，提出换热器防振设计要点，制定汽水换热器振动消除措施，以供参考。

关键词：汽水换热器；设计；振动消除措施前言：以某石化公司换热站为例，该换热站内有六台汽水换热装置，装置采用串联安装方式，可以使水蒸气从90度加热到120度至150度之间。

汽水换热器全部冷凝后需要进入到水水换热装置中，凝结出口的最终温度不得超过95℃。

受到各类因素影响，在汽水换热器运行期间极容易出现振动问题，需要加强换热器运行全过程管控力度。

1、汽水换热器设计常见换热器多数采用固定板块结构，在汽水换热器设计过程中，可以使蒸汽流经壳程并达到全部冷凝[1]。

水水换热装置与汽水换热装置采用串联连接方式，在水水换热器中的采暖水流经管程后，凝结蒸汽水流经壳程。

结合原有设计规范，管程采暖水的接管采用下进上出形式，合成蒸汽以及蒸汽凝结水接管则使用上进下出形式。

由于换热器出现振动报警问题，汽水换热器的壳层接管被调整为侧面进下面出。

借助专用设计软件计算，换热管长度为6米、壳径为1000米。

修改意见：在这个论文基础上充实一下数据、加上HTRI的算例分析,, 理论分析也再充实一点,, 算例分析就是一台换热器列出几组数据，然后进行分析得出最优方案并对方案进行相关分析得出结论但是内容要有一些深度。

（全文5000字）换热器的管束振动摘要：换热器（英语翻译：heat exchanger）是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，其管束振动破坏容易导致相邻管间磨损、挡板与管子的锯割、支承形式的改变构成磨损等现象其危害也是明显的，文中首先从理论上分析了实现换热器管束不发生较大振动的计算方法，接着以某固定管板式换热器壳体为例进行了探讨，结果表明(即使流体激振频率与换热管的固有频率接近，对于换热管这种受力构件只要合理控制流体激振力对管子的作用相位，能量就不会聚集在换热管上，激振力也就无法激起大的响应；即使流体激振频率偏离管子的固有频率，如果流体激振力对管子的作用相位不合理，激振力也有可能激起较大的响应，这一研究对于改进换热器的管束振动具有一定的借鉴意义。

关键词：管束振动；固定管板式换热器；激振力；响应0 引言热量交换设备换热器在工业生产领域及国民经济中具有十分广泛的应用，是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

随着社会的不断发展，一方面新材料、新工艺和新技术不断出现和运用，另一方面能源的不科持续发展问题越来越严重，也因此促进了石油化工深度加工的发展和完善，对能源的最大使用和减少浪费越来越为人们所重视。

换热器面临更新换代的问题。

发达国家的换热器几乎高新完毕，热回收率达96%之高[1-3]。

其中，新式的换热器设备更新率占到30%左右，、绝大都是管式的换热器，其热效率高，效果质量都非常好。

不过，换热器内的流体诱导产生振动的问题一直以来都是个技术难点，也制约着换热器的技术发展和进步，次问题已经引起国际社会的高度重视并已加强相关的技术研究，振动计算已经成为换热器设计的重要内容之一[4-7]。

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。

热换器的振动原因及防振措施热换器是一种将体系中的热量从一个介质传递给另一个介质的热交换设备。

在使用过程中，可能会出现热换器产生振动的情况。

本文将从以下几个方面探讨热换器产生振动的原因并介绍相应的防振措施。

1. 热换器的振动原因1.1 流体介质振动产生的原因流体介质必将造成很大的运动，由于流体介质的高速运动，极易在其周围形成激流和涡流，形成的流扰动会引起换热器的结构振动，从而产生噪声和对系统的损害。

1.2 蒸汽波动产生的原因热换器内蒸汽的压力和蒸汽的质量通过热换器内部流动的不同构型影响着热交换器的振动。

因为热截流的蒸汽由于热交换器内部的流动不同而产生动态波浪，同时由于蒸汽与热交换器板之间存在位移，导致热截流与热交换器板之间存在Cu的松动或摩擦磨损，从而而造成振动噪声和对系统的损坏。

1.3 孔板振动产生的原因孔板作为管道中具有调节作用的另一个种类型的装置，可能会与管道中的流体产生剧烈的相互作用和振动。

当这些振动传到热换器上时，可能会导致热换器的整体振动。

2. 热换器的防振措施2.1 调节孔板压差为了防止孔板与管道中的流体产生剧烈的相互作用和振动，我们可根据实际情况调节孔板的压差。

降低孔板的流量，增加孔板的孔径，可以减少孔板受流体作用时的振动幅度。

2.2 增加缓冲器在热换器管道与孔板交接处的位置设置合适的缓冲器，可以消除孔板与管道之间产生的径向或切向位移后期振动，使得热交换器的振动减小。

2.3 减少流体的扰动为了减小换热器的结构振动和噪声，我们需要降低流体产生的扰动。

可以通过对物料形式的优化和设备结构的设计来降低流体过程中的分离和遮挡趋势，以达到减少流体扰动的作用。

2.4 及时维护保养定时的保养维护是防止热换器产生振动以及延长使用寿命的有效方法。

定期进行清洗、换油等操作，可以消除因零部件损坏、污垢卡塞或其他原因引起的振动和噪声。

3. 结论热换器在使用过程中产生振动的原因较为复杂，包括流体介质振动、蒸汽波动和孔板振动等。

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。

管式换热器常见故障原因分析及处理方法1.管道堵塞：管道堵塞是管式换热器最常见的故障之一、堵塞可能是由于流体中的颗粒物或沉积物在管道内聚集，导致流通截面变小。

解决方法包括定期清洗管道，使用过滤器或安装泄压阀以减少沉积物聚集。

2.管子泄漏：管子泄漏是管式换热器的另一个常见故障。

泄漏可能是由于管子的腐蚀或磨损引起的。

解决方法包括定期检查管道，更换受损的管子，并采取防腐措施来延长管道的使用寿命。

3.温度不均匀：管式换热器在运行过程中，有时会出现温度不均匀的情况。

这可能是因为管道内部的流体流动不均匀或流速过快引起的。

处理方法包括调整进出口阀门的开度，增加流体的流动速度，并确保管道内没有阻碍流动的物体。

4.传热效果下降：管式换热器的传热效果可能会下降，导致换热效果不理想。

这可能是由于管道内的泛沫或局部结垢引起的。

解决方法包括定期清洗管道内的积垢物，并使用合适的添加剂来减少局部结垢的发生。

5.管子振动：管子振动是管式换热器常见的故障之一，可能会导致管子疲劳破裂。

振动可能是由于流体流动过快或管道支撑不稳定引起的。

处理方法包括调整流体的流速，增加管道的支撑点，并安装减振器以减少振动的发生。

6.泄漏气体：在管式换热器中，由于管道密封不严或焊接破裂，可能会发生泄漏气体的情况。

解决方法包括检查并修复管道的密封性，进行焊接修复，并安装泄漏气体传感器以及时检测泄漏。

总之，管式换热器常见的故障可以归结为管道堵塞、管子泄漏、温度不均匀、传热效果下降、管子振动和泄漏气体等问题。

对于这些故障，我们可以采取一系列的处理方法，如定期清洗管道、更换受损管子、调整流体流速和安装泄漏气体传感器等来解决。

这些处理方法可以保证管式换热器的正常运行和长期使用。