管壳式换热器流体诱导振动与防振[1]

换热管设计产生震动的原因换热管就像一个勤劳的小工人，在热交换的大工厂里默默工作着。

可有时候啊，这小工人会闹点小情绪，开始震动起来。

这震动是为啥呢？咱得好好唠唠。

咱先说说流体的事儿。

流体在换热管里流动啊，就像一群调皮的小老鼠在管道这个小胡同里乱窜。

要是这流体的流速太快了，那可不得了。

就好比一群小老鼠疯了似的狂奔，那产生的冲击力可不小。

这冲击力啊，就像有人在不停地推搡换热管这个小工人，那小工人能站得住吗？可不就开始震动起来了嘛。

这时候有人可能会问，那流速多快算快呢？这就像每个人能承受的压力不一样，不同的换热管设计也有不同的流速极限。

再说说这流体的脉动。

有时候流体流动不是稳稳当当的，就像人的心跳似的，一跳一跳有脉动。

这脉动的流体在换热管里啊，就像有个捣蛋鬼在有规律地摇晃换热管。

你想啊，一个东西老是被这么有节奏地晃悠，能不震动吗？就像你坐在一辆老是一颠一颠的车上，你自己也得跟着晃悠起来吧。

还有啊，共振这个事儿可不能小瞧。

这换热管本身有自己的固有频率，就像每个物体都有自己的小脾气一样。

要是这流体流动产生的频率和换热管的固有频率对上号了，那可就像两个人对上了暗号一样，开始一起“兴风作浪”了。

这就像你在桥上走，如果你的脚步频率和桥的固有频率一样，那桥可能就会晃得很厉害。

换热管也是这个道理，一旦共振了，震动就会变得很剧烈。

外部因素也会捣乱呢。

比如说周围有机器在运转，那产生的振动就像传染病一样，可能会传给换热管。

这就好比你在一个很吵的环境里，周围的吵闹声会让你心烦意乱，换热管也会被周围的振动干扰得不得安宁，然后自己也跟着震动起来。

再讲讲这换热管的结构设计。

要是换热管的支撑结构不合理，就像一个人没有穿合适的鞋子走路一样，走起路来不稳当。

对于换热管来说，不合理的支撑结构会让它在工作的时候摇摇晃晃的，很容易就产生震动。

这就像盖房子，如果地基没打好，房子肯定不稳固，容易晃动。

从流体的性质方面来看，如果流体的密度不均匀，就像一碗粥，有的地方稠有的地方稀。

某核电厂管壳式换热器流致振动分析苏鸿;罗重奎;刘星;彭磊【摘要】为查找某核电厂疏水冷却器(管壳式换热器)换热管断裂的原因,本文采用ANSYS软件对换热管进行建模,确定管束的自振频率,利用TEMA标准计算换热管束的卡门漩涡脱落频率、临界流速及振幅.通过自振频率与卡门漩涡脱落频率对比及实际流速与横流流速的对比判定,确定了卡门漩涡脱落及流体弹性不稳定是导致疏水冷却器换热管束断裂的根本原因.提出针对性的解决措施,其成果对于核电站管壳式换热器的安全运行有借鉴意义.%In order to find the reasons of the tube bundle fracture in a nuclear power plant's drain cooler (a shell and tube heat exchanger),establishes a pipe model to determine the natural frequency of the tube bundle by ANSYS,and determines the vortex shedding frequency,the critical flow velocity and vibration amplitude according to TEMA standards.The study finds that the vortex shedding and fluid elastic instability are the root causes of the tube bundle fracture by comparing the natural frequency of vibration with the vortex shedding frequency and comparing the actual flow velocity with the critical flow velocity.A series of specific countermeasures is provided.The achievements obtained can provide safe operating of heat exchengers in nuclear power plants.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2017(035)006【总页数】5页(P527-531)【关键词】管壳式换热器;自振频率;卡门漩涡;流体弹性不稳定;振幅【作者】苏鸿;罗重奎;刘星;彭磊【作者单位】深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057;深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057;深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057;深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518057【正文语种】中文【中图分类】TK172管壳式换热器作为一种换热设备广泛用于核电厂，是热力循环的重要设备。

管壳式换热器管束流致振动实例分析矫明【摘要】Elaborate the vibration mechanism induced by shell and tube heat exchanger tube bundle flow . Based on the Xist and Xvib modules of the HTRI software ,analyze and study the examples of vibration induced by shell and tube heat exchanger tube flow , and compare the advantages , disadvantages and adaptability between the HTRI‐Xist and HTRI‐Xvib analysis .%阐述管壳式换热器管束流致振动的机理，基于HTRI软件的Xist和Xvib模块，进行管壳式换热器管束流致振动实例的分析与研究，并比较了HTRI‐Xist与HTRI‐Xvib分析方法的优缺点及适应性。

【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P80-83)【关键词】管壳式换热器;振动机理;管束振动分析;HTRI-Xist;HTRI-Xvib【作者】矫明【作者单位】上海核工程研究设计院，上海 200233【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5流致振动会引起换热器的额外压力损失、噪声和传热元件的破坏，迄今国内外的大型换热器因振动而导致破坏的实例屡见不鲜，破坏程度十分惊人，已经引起世界各国的普遍重视。

目前，管壳式换热器管束的流致振动问题，已经成为换热器设计人员需要重点考虑的问题之一。

现就流致振动机理进行初步探讨，并结合工程实践，基于HTRI软件，对设计过程中管束流致振动分析方法进行研究。

1 管壳式换热器管束流致振动机理管壳式换热器内流体的运动十分复杂，有管束上的横向流、轴向流、旁通流等；管束两端的进出口有滞留区。

基于流致振动机理的折流杆换热器振动原因分析及防振建议作者：袁智权来源：《科技创新与生产力》 2018年第6期摘要：折流杆换热器在电厂循环冷却中应用非常广泛，在流量不大情况下运行平稳，但实际表明在强烈的流体激励环境中折流杆换热器同样有发生振动破坏的危险。

本文运用流致振动理论并结合工艺分析了换热管与折流杆振动及相互摩擦损伤的原因，提出严格限制折流杆的直径和换热器的通径，降低壳程流体流速，改变换热器壳程入口的结构等防振方面的建议。

关键词：折流杆换热器；诱导振动；固有频率；临界流速中图分类号：TK172 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.06.106折流杆换热器是一种新型的换热设备, 与传统的折流板换热器相比具有管束振动小、传热效率高、结垢率低等优点。

它将流体横掠管壳变成纵掠管束，其独特的壳程流体流场特性及对管子完善的支承，使折流杆列管式换热器逐渐引起人们广泛重视并被普遍应用。

然而，随着石油、化工装置的大型化，近年来，出现了折流杆列管式换热器在较大流量或高流速场合下换热管振动损坏现象。

由于换热管振动摩擦损坏存在很多因素，目前对流体诱导振动的研究还不是很成熟，因此对折流杆换热器进行流体诱导管束损坏机理的研究及数值计算，对于分析换热管振动损坏的原因以及为折流杆换热器的设计提供理论支持，具有十分重要的现实意义。

1 折流杆换热器的特点折流杆列管式换热器是用圆形的折流杆组成的折流圈来代替传统的弓形折流板，使折流杆对管子形成牢固支承，又对流体起扰动强化传热作用的换热器。

每一个折流圈都由相互平行的折流杆组成，折流杆一般为不锈钢圆钢条，奇偶相间排列，换热管则穿行其中。

相邻折流圈的折流杆相互垂直，4根折流杆使管子构成一组4个方向的支承[1]（见图1）。

这种支承方式改变了流体横掠管束的状态，使流体变成了沿管束轴线方向的纵向流，从源头上大大减少了管束诱导振动的产生，延长了换热器的使用寿命[2]。

管壳式换热器失效原因及其预防措施摘要：在我国进入21世纪快速发展的新时期，经济在快速发展，社会在不断进步，管壳式换热器作为生产流程的重要换热设备，在海上油田原油处理系统中发挥着重大的作用，并得到了广泛的应用。

由于海上生产条件的特殊性，换热器失效的现象时有发生，换热器的失效，会给原油脱水处理带来难度，还会造成换热介质污染，带来经济损失。

这篇文章主要论述了管壳式换热器常见的失效形式，分析振动、腐蚀以及选材对管壳式换热器的影响，并提出了相应的预防措施。

为管壳式换热器在今后生产过程中的使用提供了参考，也降低了管壳式换热器因失效而带来的经济损失。

关键词：管壳式换热器；失效；腐蚀；预防措施引言缠绕管式换热器具有普通列管式换热器不可替代的诸多优点，大量应用于石油化工领域，故其流体力学性能和热力学性能的研究受到国内外学者的广泛关注。

1硬件设计管壳式换热器腐蚀失效分析优化系统中的硬件包括采集设备、存储设备、处理设备以及输出设备。

其中采集设备用来获取管壳式换热器的腐蚀初始数据，存储设备是将分析优化系统中的相关数据进行存储，而处理数据主要依靠软件程序的控制，执行对应的任务，达到腐蚀失效分析的效果，输出设备是将分析优化系统得到的分析结果进行输出，通过系统硬件的设计形成系统运行的基本支持框架。

2管式换热器常见失效形式（1）换热管与管板的连接处。

由于流体在壳体内会产生诱导振动和腐蚀，在此双重影响下，换热管与管板的连接处便会发生应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀和振动疲劳破坏。

（2）换热管与折流板的配合处。

换热管与折流板的配合处在结构设计时通常会留有间隙，使其易加工制造，并且有利于充分吸收换热管的热膨胀量。

由于换热管中的壳程流体会产生冲击作用，在流体冲击力的作用下，此间隙会逐渐增大，从而使得折流板切割换热管，导致巨大的振动噪音和换热管的泄露失效。

（3）管板与壳体连接处。

在设备运行期间，换热器的壳体和管板之间承受着较大的温差应力和压力载荷。

11前 言在管壳式换热器设计中，换热管的振动分析是管束设计的一个极为重要的环节，所以在很多换热器计算软件中都有对应的振动模拟模块。

在标准《热交换器》（GB/T 151—2014）（以下简称：国标）附录C 中，再次对流体诱发振动分析提出了计算分析方法。

本文主要阐述了国标附录C 中的计算分析方法与HTRI 软件中的振动精细分析模块进行对比，并结合在一起分析，提出了螺纹管换热器管束振动判定方法。

换热器的管子都是不良绕流体结构。

所谓不良绕流体结构，是指流动会在很大一部分结构表面上脱离开的结构。

这种结构不需要像飞机那样获得升力或要使曳力降到最小值，而是承受载荷，提供换热面积。

从空气动力学的角度来看并不是最佳化，所以设计时应将振动当作第二设计特性来考虑，即在不造成破坏的前提下，允许出现一定振动。

1 国标附录C对振动的判定介绍国标附录C 描述了在管壳式换热器中，当流体横向流过管束时，诱发管束振动的主要成杭州杭氧换热设备有限公司｜刘江，毛传剑螺纹管换热器管外流体诱发振动分析12因为卡门旋涡激振（有声振动或无声振动）、湍流抖振（有声振动或无声振动）和流体弹性不稳定。

以上任何一个因素都可能诱发管束振动。

1.1 管外流体为气体或液体当管外流体为气体或液体时，符合下面任一条件，有可能诱发管束振动和破坏。

（1）卡门旋涡激振根据换热器的换热管排布特性及横流介质流速，可计算出卡门旋涡频率f v 。

当卡门旋涡频率超过管束各支撑间通道的换热管最低固有频率f 1的0.5倍时，有可能由卡门旋涡诱发管束振动和破坏。

（2）湍流激振根据换热器的换热管排布特性及横流介质流速，可计算出湍流抖振主频率f t 。

当湍流抖振主频率超过管束各支撑间通道的换热管最低固有频率f 1的0.5倍时，有可能由湍流抖振诱发管束振动。

（3）换热管的最大振幅当卡门旋涡频率或湍流抖振主频率与换热管的固有频率一致，且换热管的固有频率小于2f v 或2f t 时，计算出管束各支撑间通道的换热管振幅y v ，如果最大振幅y max 大于换热管外径d o 的0.02倍，则有可能发生管束振动或破坏。

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。