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換熱器振動失效分析

文檔作者：齊琦王龍杰陳大野張洪偉4 文檔來源： 1．黑龍江省機械科學研究院 2．中國石油天然氣第八建設有限公司 3．大唐哈爾濱第一熱電廠		點擊數：	更新時間： 2024年09月21日
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機械工程師
————————————————■————一MECHANICAL ENGINEER
齊琦1。王龍杰z。陳大野，。張洪偉4
(1．黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱150040；2．中國石油天然氣第八建設有限公司，遼寧撫順113000；
3．大唐哈爾濱第一熱電廠，哈爾濱150078；4．齊齊哈爾北方機器有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾161000)
摘要：換熱器是石油化工系統(tǒng)應用廣泛的過程設備之一，它可以完成物流之間的熱量傳遞，進一步滿足產品對工藝的
要求。隨著換熱器的大型化和流體流動的高速化，發(fā)生振動的可能性在逐步增加，有關振動破壞的事例逐年增多。文中
對換熱器的振動問題進行分析并提出合理的抗振方法。
關鍵詞：換熱器，振動．管束
中圖分類號：TQ 051．5 文獻標志碼：B 文章編號：1002—2333(2016)06—0121—02
1引起振動的機理
J．J漩渦分離
換熱管的流體在雷諾數比較大的時候，容易在背面
兩側發(fā)生脫離漩渦，即某一刻某一側產生漩渦，而另一側
的漩渦恰好與換熱管脫離；下一刻剛好相反，產生漩渦的
一側漩渦長大、分離，分離漩渦的一側又重新生成、長大。
導致換熱管發(fā)生振動，振動頻率公式為
工=sJ4。(1)
式中：&amp;amp;為斯特羅哈數；磊為管徑i‘為振動頻率；”為流速。
當振動頻率和管道的固有頻率一旦相同，就會發(fā)生共振
現象。
1．2紊流抖振
當紊流脈動的主頻率丘定義為
f∞=vdo[3．05(1-do／t)2+0．28]／(此o (2)
式中：溈管束橫向中心距；z為跨長。
一般情況下，由于紊流抖振引發(fā)的振動具有一定的
隨機性，換熱管僅在其固有頻率附近產生響應，因此它不
是引起換熱管失效的主要原因，可以認為它是引起流體
彈性不穩(wěn)定的主要原因。
1．3彈性不穩(wěn)定
從管束與流體的相互作用考慮，彈性不穩(wěn)定是一類
流固耦合現象，流體彈性不穩(wěn)定現象是在其他誘導振動
機理的基礎上產生的，它會使換熱管之間、換熱管與折流
板管孑L之間相互碰撞。流體彈性激振時，橫流速度的“臨
界值”計算公式：
vo=13f．(m≯dpfo)此； (3)
A=o．159C．、／E酬，以)。(4)
式中：砜為單位管長的有效質量；p為流體密度；盧為臨界
不穩(wěn)定常數。
1．4聲共鳴
聲共鳴只發(fā)生在殼程流體為氣體的情況，聲駐波頻
率計算公式為
L=nc／(2L+)。(5)
式中：￡+為特征長度；n為振型常數；c為介質參數。
通常我們認為紊流抖振發(fā)生的區(qū)域是管束深處，而
漩渦分離現象發(fā)生的區(qū)域主要在管束外圍的2～3排處。
有時我們也認為：當管間距較小時，由于既不能保持管束
上游幾乎平滑
的橫向流速，
又沒有足夠的
管束下游作為
產生漩渦分離
的空間，因此
這種情況漩渦
分離機理不是
主要的，而紊
流抖振機理起
主導作用。前
三個誘導振動
＼
彈性不穩(wěn)定]
漩--渦分1離飄’
流速
圖1誘導振動與振幅的關系曲線
機理與振幅和? ? ?——
流速的定性關系如圖1所示。
2影響振動的因素
目前對換熱器振動的處理，可以分為兩大類：抑制振
動和利用振動。關于利用振動來強化傳熱(彈性管束換熱
器)工程上雖有應用，但此結構也受到一些客觀條件的限
制，所以對多數振動問題的處理還是選擇了前者。
2．，殼程流體的分布形式
殼程流體是影響換熱器振動特性的主要因素，由于
它的激勵，換熱器才產生振動，一般情況下流體在換熱器
殼體內的分布情況和質量分數分別如圖1和圖2所示。
從理想化的抗振角度出發(fā)，只允許有主流體(B股)，
表1 殼程各股流體的質量分數％
網址：wwW．jxgcs com電郵：hrbengineer@163．com 2016年第6期i 1 2 1
萬方數據
機械工程師
————●——————●●————————■———●————一MECHANICAL ENGINEER
其它旁路流體
(A股、C股、E
股)都應該避
免，因為這些區(qū)
域的局部高速
流極易引起局
部振動。
1)B股流
體為換熱器內
的主流體，減小
折流板的間距可以使B股流體的流量有所增加，抗振動性
能提高，傳熱效率便隨之上升，但壓力損失也有所增大。
2)A股流體的流量大小與換熱管與折流板管El之間
的徑向間隙有關，此間隙對管束的振動特性影響較大(前
面已經說明)，減小徑向間距，可以降低A股流體的流量。
3)C股流體與排管方式(正三角、正方形、轉角正三
角、轉角正方形)和排管數量有關，在同樣殼體內徑的情
況下，正三角形排管方式不但換熱效果好，而且排管多，
對c股流體也有一定的抑制作用。
4)E股流體從折流板外徑與殼體內徑間的間隙流出，
單純從抗振的觀點考慮，此間隙越小越好，但工程實際中
考慮了加工和維修等因素，所以并沒有達到理想的情況。
2．2換熱管排列間距
在不影響換熱效率的前提下，適當增加管間距后，換
熱器有以下四個特點：1)在折流板間距不變的情況下，能
夠降低錯流流速。2)通過增加間距，可以增大由于“臨界
流速”系數。3)換熱管之間距離的增加，減小了管間由于
振動相互碰撞的可能。4)換熱系數隨著它的增大而減小，
但是減小的規(guī)律不是很明顯。
2．3換熱管直徑
管徑的大小對結構的振動也起到一定的作用，在其
它條件不變時，應用不同的管徑所得到的固有頻率有所
不同。管徑不同時，能夠引起換熱器性能的變化。
2．4折流板間距
通過減小折流板間距來增加固有頻率，但同時也會
帶來一些工藝上的不足(動力消耗過大等)。對于傳統(tǒng)的
弓形折流板，在適當的條件下合理地調整其間距對抗振
是最直接也是最有效果的。
幾種結構的變化不但增加了“臨界流速”，起到的抗
振效果也很可觀。但以下兩個方面值得我們注意：1)由于
在折流板切口處不排管的結構消除了只在每間隔一塊折
流板才能得到支承的那些換熱管的失效危險陛，所以它
能最有效地解決管束振動問題，并且經濟易行。2)如果我
們在兩折流板之間的管段，用中間支承板(兩邊切去弓形
的板)加以支承，這樣就可以將換熱管的跨距減少到任意
程度，而實質上對壓力損失沒有任何影響，而傳熱效率卻
有所增加。折流板間距對振動的影響是最為明顯的，并且
其間距減小還可以增加“臨界流速”，但此時其它的工藝
參數就不一定能夠滿足。對一臺換熱器的綜合評價主要
包括動力消耗、傳熱功率、傳輸流體量、體積與重量等。在
滿足綜合性能的條件下，采取合理化的抗振方法是十分
關鍵的問題。
3基于ANSYS的振動特性分析
表2換熱器基礎參數
換熱器基礎參數如表2所示，對換熱器的基本情況有
所了解以后，我們下一步將選擇合適的方法建立模型，并
對其進行加載、網格劃分、模態(tài)求解等。換熱器實體模型
及網格劃分如圖3所示，各階固有頻率如圖4所示。
至此，換熱
器整體有向上彎
曲的趨勢，并且
有的出現了局部
變形，這也告訴
我們，對于該換
熱器在生產中應
該盡量避免接近
其七八階固有頻
率值，以免發(fā)生
共振，而對其造成大的影響。
4綜合性能評定
利用實體模型所做的模態(tài)分析雖然能夠模擬實際情
況，讓我們從宏觀上認識了換熱器的振型變化，但是建立
模型的過程要復雜一些，換熱器的振動受多方面因素的
影響，今后應加強流體力相位對實際換熱器作用的研究。
要徹底弄清楚流體力相位等諸多因素對換熱器振動的影
響，所得到的結果還沒有做到能夠自動判斷是否滿足工
藝的要求，對于這一點還需要完善。
[參考文獻】
[1]管殼式換熱器：GBl51-1999[S]．
[2]列管式換熱器：TEMA一1999[S]．
[3]李漢．管殼式換熱器振動問題探討[J]．化工設計，2007，17(1)：
17—19．
[4]晉永革，陳建軍．換熱器的防振設計及措施[J]l華北石油設計，
2002(1)：30一31．
(編輯明濤)
作者簡介：齊琦(1988一)，女，助理工程師。
收稿日期：2016一01—27

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