流体诱发换热器管束的振动

酸性水汽提塔底再沸器的振动与预防摘要：某炼厂汽提塔底再沸器换振动引发换热管短管。

阐述了流体诱发振动的机理及危害，按照GB/T151—2014附录C对该再沸器进行流体诱发振动计算，验证诱发振动的可能性，并给出改进措施。

关键词：诱发振动；再沸器；U形管；固有频率1、前言某炼厂酸性水气体装置汽提塔底再沸器为釜式结构。

汽提塔底再沸器自投入使用后，在运行过程中，塔体存在较明显的振动，对其进行检修时发现上部外侧换热管在支持板位置出现磨损穿孔、断管。

初步判断是换热管振动时与折流板碰撞、磨损导致。

为了进一步确认原因，我们按照GB/T151—2014附录C对该再沸器进行流体诱发振动计算，验证诱发振动的可能性。

换热器具体参数见表 1 表1 汽提塔底再沸器设计参数2、流体诱发振动的机理及危害2.1 流体诱发振动的机理流体诱发振动主要是指换热器受壳层横向流动流体的激发而产生的振动。

由于需要考虑流体力学、结构力学和材料的机械性质，因此换热管的振动分析是一个非常复杂的问题。

为了降低问题的复杂性，在振动分析过程中仅考虑壳层流经管束的流体引起的换热管振动，不包括诸如泵产生的脉动或者厂房其他操作传递至换热器而引发的振动现象。

由于换热器的振动机理复杂，不能由一种方法预测全部的振动现象，因此必须综合考虑各种因数，主要振动机理由四种，分别为：卡门旋涡，湍流抖振，流体弹性不稳定性和声共振。

2.2流体诱发振动的危害2.2.1流体诱发振动在管壳式换热器内的表现形式有以下两种：（1）在换热管固有频率处的振动。

当旋涡脱落或湍流抖振频率和换热管固有频率重合时将使换热管产生大幅度的振动，这种形式的振动将导致换热管的严重破坏。

换热管的最小固有频率主要受最大无支撑跨距影响。

（2）在换热器壳体的声学驻波频率处产生的声共振。

当旋涡脱落或湍流抖振频率接近换热器内空气柱的声学驻波频率时，就会在换热器内发生声共振。

这种形式的振动不会导致换热管振动但是会产生较大的噪音，对人耳产生损害。

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。

基于流固耦合的换热管束振动分析孙雷;赵刚;刘华君;张世民【摘要】阐述了换热器管束振动的机理、破坏形式以及换热管共振特性的研究方法.突破传统研究方法的局限性,运用有限元分析软件,采用流固耦合的方法对换热管共振特性进行了研究.结合某油田项目中一台管壳式换热器,对单根换热管共振特性、换热管束共振特性影响因素以及动态响应特性进行了全面研究,得出了调整换热管束共振频率、避免共振的有效方法,结论具备一定的工程应用参考价值.%The mechanisms and destruction types of tube bundle for heat exchanger were described as well as the research method of resonance characteristics. Based on the finite element analysis software, the method of fluid - structure coupling was applied on the research. Combining with a set of heat exchanger, the factors affecting the resonance characteristics of single tube and tube bundle were researched comprehensively as well as the characteristics of dynamic response. Then the effective measures of adjusting the resonance frequency and avoiding resonance are obtained. The conclusions can be used in engineering as reference.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)008【总页数】5页(P39-43)【关键词】换热管束;流固耦合;共振特性【作者】孙雷;赵刚;刘华君;张世民【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津300451;海洋石油工程股份有限公司,天津300451;海洋石油工程股份有限公司,天津300451;海洋石油工程股份有限公司,天津300451【正文语种】中文【中图分类】TE965;0241.820 引言在管壳式换热器的设计中，为了使其具有较高的热力性能和低的污垢度，通常需要高的流速、合理的压降［1］。

管壳式换热器管束振动失效研究周浩楠a,潘建华b（合肥工业大学a.机械工程学院；b.工业与装备技术研究院，合肥230009）摘要：某管壳式换热器在使用过程中出现管束泄漏和断裂。

通过对管材样品采用化学成分分析、金相组织分析、室温拉伸实验、形貌观察等方式研究了该型号换热器失效的原因。

另外，根据该换热器的设计工况，针对其换热管振动时的机理，对换热管振动做了详细的分析。

同时对振动机理的研究发现：该换热器的工况处在流体弹性不稳定区域，流体弹性不稳定性使管束发生振动，在交变应力的作用下使管束发生疲劳破坏。

关键词：交变应力；管壳式换热器；流体弹性不稳定性中图分类号:TK172文献标志码:A文章编号：1002-2333（2020）07-0016-03 Study on Tube Bundles Vibration Failure of Shell and Tube Heat ExchangersZHOU Haonan a,PAN Jianhua b(a.School of Mechanical Engineering;b.Institute of Industry&Equipment Technology,Hefei University of Technology,Hefei230009,China) Abstract:A tube and shell heat exchanger has tube bundle leakage and breakage during use.By using chemical composition analysis,metallographic structure analysis,room temperature tensile test,and morphological observation on the tube samples,the failure reasons of this type of heat exchanger are studied.According to the design conditions of the heat exchanger,the vibration of the heat exchange tube is analyzed according to the mechanism of the heat exchange tube vibration.The study of vibration mechanism shows that the working condition of the heat exchanger is in the region of fluid elastic instability;the fluid elastic instability causes the tube bundle to vibrate,and fatigue damage of the tube bundle occurs under the action of alternating stress.Keywords:alternating stress;shell-and-tube heat exchanger;fluid elastic instability0引言管壳式换热器因其结构简单、传热面积大、能承受高压和高温、操作管理方便，又具有较高的可靠性与广泛的适应性，在石油化工、核能等工业中得到普遍的应用。

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。

管壳式换热器管束振动机理及改进措施吴翔【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。

【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】3页(P62-64)【关键词】换热器管束;共振;诱因;失效机理;改进措施【作者】吴翔【作者单位】南京英凯工程设计有限公司,江苏南京210009【正文语种】中文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[1]：式中：fv -卡曼涡街旋涡频率；St -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]：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。

流体诱发换热器管束弹性不稳定性的数值模拟程瑞佳;张亚楠;肖清;陈小阁;刘宝庆【摘要】Aiming at frequently occurred vibration damage problems of conventional heat exchangers, based on dynamic mesh technique and two-way fluid-structure interaction, a three-dimension numerical model of flow-induced vibration was established.The vibration trajectory of tube bundles, which were obtained difficultly in the experiment, were supplemented by numerical simulation.The change of the main vibration direction in the fluid-elastic instability of the tube bundle was studied.The influence of tube position on vibration was analyzed.The effects of configuration and pitch-to-diameter ratio of tube bundles on fluid-elastic instability were investigated.The results show that the fluid-elastic instability first occurs in the drag direction, and then occurs in the lift direction.The amplitude of the tube located at the edge is larger than that of the middle tube.In the four kinds of arrangements of the tube bundles, the occurrence of fluid-elastic instability from difficult to easy as follows: normal square, normal triangular, rotated square and rotated triangular.In a certain range, the fluid-elastic instability is more prone to occur with the decrease of pitch-to-diameter ratio.The study on the simulation of heat exchanger tube bundles plays a certain guiding role in engineering application.%针对常规换热器频发的振动破坏现象,课题组基于动网格技术和双向流固耦合方法,建立了流体诱发管束振动的三维数值模型.采用数值模拟对实验难以获得的管束振动轨迹进行了补充;研究了管束发生流体弹性不稳定性时主振方向的变化;分析了管子位置的分布对振动的影响;探究了管束的排列方式和节径比对流体弹性不稳定性的影响.结果显示:流体弹性不稳定性先发生在曳力方向,后发生在升力方向;位于边缘的管子的振幅大于中间管子的振幅;在4种排列方式的管束中,发生流体弹性不稳定性从难到易依次为正方形、正三角形、转置正方形、转置正三角形;在一定的范围内,节径比越小,越易于发生流体弹性不稳定性.课题组对换热器管束在模拟方面的研究可对工程应用起到一定的指导作用.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2018(036)003【总页数】6页(P36-40,45)【关键词】动网格;流体弹性不稳定性;双向流固耦合;振动轨迹【作者】程瑞佳;张亚楠;肖清;陈小阁;刘宝庆【作者单位】浙江大学化工机械研究所,浙江杭州 310027;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州 310027;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州 310027;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州 310027;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TK172.4管壳式换热器在过程工业中应用广泛，冷热流体在换热管内外进行流动换热。

管壳式换热器振动分析及防振设计作者：柳少华田旭来源：《中国化工贸易·上旬刊》2017年第05期摘要：针对管壳式换热器常见的振动破坏形式，阐述管壳式换热器管束流致振动的机理。

基于HTRI软件，进行换热器振动分析，并介绍了常见的防振措施。

关键词：换热器；振动；机理；HTRI1 前言管壳式换热器由于其结构紧凑，体积小，换热能效高，制造成本低，便于维修等特点，是石油、化工、动力、食品和医药等行业广泛采用的一类换热设备。

随着工业生产迅速发展和生产规模不断扩大，管壳式换热器趋于大型化，换热能力不断提高，适用范围越来越广泛，但与此同时，由于高流速、管束支撑间距增大等多因素，管壳式换热器的振动问题也越来越突出。

换热器管束发生流体诱导振动，往往能造成换热器局部失效甚至整体报废，给工厂带来巨大的经济损失。

据相关文献报道，在传热管内插入圆珠圆管等内件，采用新型的弹性管束代替传统管束等手段，可以诱导流体产生弹性振动，提高传热系数、强化传热、减少结垢，但实际生产中利用振动强化传热的案例较少，应当首先保证换热设备的正常操作，减弱或者消除振动的不良影响。

因此，在管壳式换热器设计中，应充分考虑各种因素，其中包括管束振动分析。

本文在分析换热器管束振动机理的基础上，结合工程实际，针对性地提出了预防措施。

2 振动机理研究进展管壳式换热器内流体的运动十分复杂，流体的流速和方向不断地发生不规则的变化，使传热管处在不均匀的力场中，受到流体流动的各种激发力作用，极易产生振动。

一般认为，换热器管束振动主要是由壳程内的横向流所诱发，管程流体流动诱发振动的可能性较小。

振动产生的根本原因是，流致振动的频率与换热器的固有频率接近，此时换热器就会产生强烈的振动。

流致振动的机理可归纳为以下几点：2.1 卡门漩涡当流体橫掠换热管时，如果流动雷诺数大到一定程度，在其两侧的下游交替发生漩涡，形成周期性的漩涡尾流，称为卡门漩涡。

漩涡流致使圆管上的压力分布呈周期性变化。

管壳式换热器设计中的振动分析郭金回【摘要】分析了管壳式换热器的振动机理、振动的危害,结合实例,对管壳式换热器设计中振动情况进了计算和分析,提出了消除振动的措施以及消除振动中需考虑的事项.【期刊名称】《化工管理》【年(卷),期】2018(000)028【总页数】3页(P136-138)【关键词】管壳式换热器;设计;振动分析【作者】郭金回【作者单位】上海河图工程股份有限公司,上海 201203【正文语种】中文0 引言管壳式换热器作为一种换热设备,因其结构简单、制造方便以及造价相对较低等特点,在炼油、石化、化工等行业中得到了非常广泛的应用。

而对于这类要求连续运行的装置来说,设备的可靠性是相当重要的,一旦发生损坏,轻则造成设备效率降低、工艺指标不合格,重则造成装置停产甚至财产损失、环境污染、人员伤亡等严重问题。

而据不完全统计,因管束振动而损坏的换热器几乎占损坏的30%[1],因此,换热管束的振动分析在换热器的设计过程中就显得非常重要。

随着各类装置规模的不断扩大,管壳式换热器的的规格也随之加大,其振动分析愈加复杂。

1 管壳式换热器的振动1.1 振动的类型及机理[1～12]管壳式换热器的振动一般为流体诱发振动,当壳程流体在横流过管束时,在一定条件下会形成涡流脱落、湍流激振,或是流体弹性不稳定等引起换热管的振动。

1.1.1 涡流脱落(Vortex Shedding)管壳式换热器壳程流体横流过管束时,在管子的尾部会形成反对称排列的卡曼漩涡,并以一定频率从管子两侧表面脱落,使管子受到一交变力的作用。

此作用力的频率与卡曼漩涡的脱落频率相同,当此作用力的频率与换热管的固有频率相接近或是相等时,会产生共振而使得管子产生剧烈振动。

涡流脱落频率fv与流体流速、管径等参数有关,可以用以下公式计算:1.1.2 湍流抖振(Turbulent Buffeting)壳程流体在高雷诺数下流动时,在管束深处会产生随机波动的湍流力。

特别是在节径比(管间距/管外径)接近1的密排管束中,由于没有足够的空间使卡门漩涡脱落,管子起着促使流体湍动的作用,形成了紊流漩涡,管子受到波动力的作用。

传热管流致振动设计准则比较王聪;陆道纲;曹琼;王园鹏【摘要】蒸汽发生器是核反应堆中将一回路热量传递给二回路(水-蒸汽动力回路)的重要设备.二次侧流体冲刷引起的传热管振动是管壁疲劳、磨损直至破裂的主要原因之一.为确保传热管的结构完整,有必要对传热管开展流致振动设计与评价.针对传热管这样的圆柱形结构的流致振动设计与评价,有3种设计规范:GB/T151、TEMA、ASME.本文对3种设计规范中传热管流致振动的设计准则进行了比较,指出了相关准则和参数在计算上的差异以及对流致振动相关机制判定上的差异.选取某典型热交换器为算例,具体展现了3种设计规范对传热管流致振动评价结果的异同,给出了不同规范设计准则的选取对于表征流致振动的特征参数(如附加质量、固有频率、漩涡脱落频率、振幅等)计算结果带来的偏差,并对3种设计规范在工程应用中的保守性提出了参考性建议.结果表明:对不同参数,设计规范保守性不相同,TEMA计算频率相对更为保守,其他参数GB/T151较为保守,TEMA和ASME整体相对GB/T151更加宽容.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2019(053)008【总页数】6页(P1433-1438)【关键词】传热管;流致振动;GB/T151、TEMA、ASME设计规范【作者】王聪;陆道纲;曹琼;王园鹏【作者单位】华北电力大学核科学与工程学院,北京 102206;非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京 102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京 102206;非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京 102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京 102206;非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京 102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京 102206;非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TL352.1蒸汽发生器是核反应堆中将一回路热量传递给二回路(水-蒸汽动力回路)的重要设备，其中的传热管是核岛与常规岛压力边界的重要组成部分。