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管殼式換熱器振動(dòng)分析

文檔作者：孫道青付春兵樊華呂偉俊宋佳李海鯨文檔來源：海洋石油工程股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年08月25日
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． 一
■故障診斷 2石0油和化工設(shè)備
13年第16卷
管殼式換熱器振動(dòng)分析
孫道青，付春兵，樊華，呂偉俊，宋佳，李海鯨
(海洋石油工程股份有限公司， 天津300461)
[摘要]分析了管殼式換熱器的振動(dòng)機(jī)理，結(jié)合實(shí)例，利用HTFS專業(yè)軟件對換熱器進(jìn)行了振動(dòng)分析并提出了解決振動(dòng)的方
法。
[關(guān)鍵詞]管殼式換熱器；振動(dòng)分析；HTFS專業(yè)軟件
管殼式換熱器的振動(dòng)分析一直是換熱器設(shè)計(jì)
的重點(diǎn)和難點(diǎn)。流體誘發(fā)的振動(dòng)可引起換熱器管
子和其它結(jié)構(gòu)部件嚴(yán)重破壞，管子振動(dòng)引起的機(jī)
械性疲勞破壞可能來自碰撞破壞、折流板破壞、
管子與管板連接處的破壞f1】，換熱器的振動(dòng)除了可
引起設(shè)備損壞外，還產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音污染。因此
在換熱器設(shè)計(jì)過程中采用各種方法避免振動(dòng)，是
保證換熱器設(shè)計(jì)的合理性和使用壽命的關(guān)鍵。但
由于流體誘導(dǎo)振動(dòng)現(xiàn)象的復(fù)雜性以及現(xiàn)有技術(shù)的
限制， 目前尚未提出完善的預(yù)測換熱器振動(dòng)的方
法， 而通過人工計(jì)算預(yù)測換熱器是否存在振動(dòng)是
一項(xiàng)非常繁瑣的工作[2】，因此傳統(tǒng)的換熱器工藝
設(shè)計(jì)，常常忽略換熱器的振動(dòng)分析。本文分析了
換熱器的振動(dòng)機(jī)理，并用專業(yè)軟件對一實(shí)際項(xiàng)目
的換熱器進(jìn)行了振動(dòng)分析，提出了解決振動(dòng)的方
法。
l振動(dòng)機(jī)理
在管束橫向流流速的影響下，換熱器管子會
出現(xiàn)振動(dòng)的趨向，如果振動(dòng)振幅達(dá)到足夠大，則
可能會被一種或幾種激振機(jī)理所破壞 。
流體流動(dòng)引起振動(dòng)的機(jī)理通常認(rèn)為有以下四
種：
(1)漩渦分離誘導(dǎo)振動(dòng)
當(dāng)流體跨越管束時(shí)，管子背后產(chǎn)生不規(guī)則的
漩渦，當(dāng)漩渦分離頻率Fv與管子固有頻率Fn接
近時(shí)，就會出現(xiàn)共振，共振使得管子發(fā)生大的振
幅，從而可能破壞管子。
(2)湍流抖振
湍流流動(dòng)雖然有助于提高換熱器的傳熱效
率，但湍流會使換熱器管束形成湍流抖振。當(dāng)
湍流抖振頻率Ft與管束中管子的固有頻率Fn接近
時(shí)，會產(chǎn)生很大的能量，導(dǎo)致?lián)Q熱管共振并伴隨
著較大的振動(dòng)振幅。
(3)流體彈性激振
當(dāng)橫流穿過管束時(shí)，管束會承受流體的不穩(wěn)
定動(dòng)力，從而破壞相鄰管子間的力平衡，使之產(chǎn)
生位移。在臨界流速Wc下，發(fā)生流體彈性振動(dòng)，
如果橫向流速w進(jìn)一步增加將引起管子較大的振
幅，從而引起管子的破壞。
(41聲共振
聲共振是由橫向流動(dòng)的氣體或蒸汽所激發(fā)
的， 原理為環(huán)繞管子的聲學(xué)駐波振動(dòng)。當(dāng)流體的
激振頻率同換熱器內(nèi)流體的柱振動(dòng)固有頻率Fa接
近時(shí)，就會在換熱器內(nèi)產(chǎn)生聲共振。
漩渦分離誘導(dǎo)振動(dòng)、湍流抖振和聲共振均是
振動(dòng)響應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)激振頻率與管子固有頻率接近
時(shí)就會產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。流體彈性激振是流體對管
子施加的質(zhì)量阻尼系統(tǒng)能量超過阻尼系統(tǒng)消耗的
能量時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)狀態(tài)。
針對上述機(jī)理產(chǎn)生的振動(dòng)，換熱器計(jì)算軟件
HTFS對換熱器管束振動(dòng)判斷依據(jù)如下：
表1 換熱器管束振動(dòng)判斷依據(jù)
名稱 漩 渦分 離 湍流抖振 聲共振 流體彈
誘導(dǎo)振動(dòng) 性激振
振動(dòng)類型 Fv／Fn Ft／Fn Ft／Fa l Fv／Fa W／Wc
范圍 0．8～1．2 O．8～1．2 0．8～1．2l0．8～L 2 >1
當(dāng)換熱器的各個(gè)參數(shù)在表1所列范圍內(nèi)時(shí)，表
明換熱器存在振動(dòng)的可能。若在換熱器設(shè)計(jì)過程
中將上述參數(shù)控制在范圍之外，就能有效地防止
作者簡介：孫道青(1982一)，男，山東濟(jì)南人，碩士，工藝工
程師。主要從事海洋工程設(shè)備工藝計(jì)算和設(shè)計(jì)工作。
第8期 孫道青等管殼式換熱器振動(dòng)分析 ．55一
換熱器振動(dòng)的發(fā)生。
2實(shí)例分析
某天然氣處理廠的天然氣冷卻器，技術(shù)參數(shù)
見表2。
表2 天然氣冷卻器工藝數(shù)據(jù)
參數(shù) 殼程 管程
介質(zhì)名稱 天然氣 天然氣
進(jìn)口溫度／出口溫度℃ 34．00 I 27．61 12．25 I 21．00
入口壓力kPa 4030 540
質(zhì)量流量kg／h 65160 54978
利用HTFS軟件對該換熱器進(jìn)行計(jì)算。換熱器
型式選用BEM型，換熱管規(guī)格為 19×2，長度為
3m，筒體直徑800ran1，折流板間距300ITIII1，換熱
面積為108．5m2，換熱管共630根。此換熱面積滿足
工藝要求，但換熱器出現(xiàn)振動(dòng)警告。
用HTFS軟件在殼體入口、中部及出口的三個(gè)
位置，對每個(gè)位置的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，通過這些
點(diǎn)的參數(shù)就能判斷換熱器是否存在振動(dòng)的可能。
表3 流體彈性激振數(shù)據(jù)表
出口位置 W／Wc
1 O．37
2 1．O2
3 O．39
4 0．22
從表3可看出，換熱器出口位置2處的橫向流
速，大于臨界流速，說明在換熱器的出口位置存
在流體彈性激振現(xiàn)象。
表4 振動(dòng)響應(yīng)分析表
殼體位置 管子位置 Fv／Fn Fv／Fa Ft／Fn Ft／Fa
1 1．16 0．56 0．8 0．38
2 0．69 0．25 0．47 0．17
進(jìn)口處 3
O．25 O．23 0．17 O．16
4 0．15 0．O5 O．1 0．04
l O．28 0．14 0．19 0．09
換熱器 2 1．25 O．46 O．86 0．32
中部 3 0．46 O．43 0．32 0．3
4 O．27 0．1 O．19 O．07
1 1．25 0．6 0．86 0．42
2 O．67 O．25 O．46 O．17
出口處
3 O．25 0．23 O．17 0．16
4 O．27 0．1 0．1 0．04
冷卻器的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)如表4。從表4可以看
出，換熱器入口1點(diǎn)處Fv／Fn、中部2點(diǎn)處Ft／Fn及出
口1點(diǎn)處Ft／Fn在0．8～1．22_間，表明該換熱器存在漩
渦分離誘導(dǎo)的振動(dòng)和湍流抖振。
將冷卻器的換熱管由外徑19mm的管子換成外
徑25mm的管子并調(diào)節(jié)折流板間距，得出振動(dòng)響應(yīng)
值與折流板間距的關(guān)系如圖1。流體彈性激振與折
流板間距的關(guān)系如圖2。
j粵
倒
蜃
折流板間~ti／．I
圖l 振動(dòng)響應(yīng)值((I)25換熱管)與折流板間距關(guān)系
折流板間距／哪
圖2 流體彈性激振值((I)25換熱管)與折流板間距關(guān)系
圖1顯示，折流板間距小于250 1TIIll時(shí)，換熱器
振動(dòng)響應(yīng)值均小于0．8，從而避免了換熱器的振動(dòng)
響應(yīng)。圖2亦顯示，使用①25換熱管時(shí)，流體彈性
激振值，也均小于1。
3總結(jié)
本文的分析說明，換熱器設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)振
動(dòng)時(shí)，可以通過調(diào)整折流板間距來改變管子的固
(下轉(zhuǎn)57頁)
第8期 王銀彪抽汽凝汽式汽輪機(jī)真空波動(dòng)原因分析與處理 一57—
2．4檢查現(xiàn)場有無泄漏
真空系統(tǒng)包括凝汽器系統(tǒng)、抽氣器系統(tǒng)、凝
結(jié)水泵、爆破板、真空對空閥管線、汽封、水封
等。現(xiàn)場對真空系統(tǒng)所有管線進(jìn)行了排查，密封
良好。當(dāng)查到軸封汽低壓缸排汽管線時(shí)，發(fā)現(xiàn)無
汽冒出，初步判斷為軸封汽壓力不夠，現(xiàn)場開大
旁路后真空未變化。對其軸封調(diào)節(jié)閥進(jìn)行檢查，
確認(rèn)調(diào)節(jié)控制裝置正常。現(xiàn)場采取堵封管口措施
以防止進(jìn)一步破壞真空， 因空氣倒吸進(jìn)低壓缸抽
汽器來不及抽出多余的空氣。
2．5軸封系統(tǒng)
為防止機(jī)組運(yùn)行中高壓端蒸汽泄漏和低壓
端空氣漏入，汽輪機(jī)自帶疏齒式密封，形成密封
腔，防止蒸汽外泄同時(shí)由外部供入蒸汽進(jìn)行隔
離，軸封汽由4．4MPa蒸汽減壓而來。減壓裝置
為自動(dòng)控制，壓力高時(shí)閥關(guān)小，現(xiàn)場檢查確認(rèn)控
制器正常。根據(jù)軸封系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)置有軸封余汽
調(diào)節(jié)閥，通過此閥，管線把多余的蒸汽排入凝汽
器，此閥為手動(dòng)閥。現(xiàn)場排查到低壓端軸封汽外
排管線不冒汽時(shí)，對軸封管線系統(tǒng)進(jìn)行了分析，
軸封管線發(fā)生故障有如下四個(gè)特點(diǎn)：(1)軸封供汽
不足；(2)軸封汽溫度過低；(3)軸封汽溫度過高；
(4)軸封汽帶水。
因經(jīng)檢查軸封供汽系統(tǒng)正常，現(xiàn)場用測溫槍
測管線的溫度為410~C，溫度正常。因此可以排除
軸封汽供汽不足的原因。因此將現(xiàn)場檢查重點(diǎn)放
在軸封汽帶水， 由于軸封汽溫度正常，不可能自
身帶水，懷疑是軸封汽管線存在死角導(dǎo)致。現(xiàn)場
對軸封汽管線進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)由于施工原因，軸
封余汽調(diào)節(jié)管線彎管存在死角現(xiàn)象，在余汽調(diào)節(jié)
閥不開時(shí)，蒸汽容易冷凝成水，造成軸封汽管線
帶水。軸封汽管線帶水量大時(shí)造成軸封汽供汽不
足，由于低壓端為真空，造成空氣倒吸現(xiàn)象，軸
封汽無法外冒。真空發(fā)生波動(dòng)的原因就在于此。
正是這個(gè)軸封余汽管線積水導(dǎo)致軸封汽過汽量減
少， 進(jìn)一步影響到排汽壓力波動(dòng)和排汽溫度上
升。原因找到后，現(xiàn)場采取措施，微開軸封余汽
調(diào)節(jié)閥，打開軸封汽疏水導(dǎo)淋，調(diào)整軸封汽量。
很快出現(xiàn)排氣壓力下降，排氣溫度同時(shí)也下降。
現(xiàn)場觀察到低壓側(cè)排放口管線有少量水噴出，隨
后蒸汽冒出，此時(shí)排汽壓力恢復(fù)至一70 kPa，排氣
溫度下降~IJ51℃，汽輪機(jī)工況恢復(fù)正常。
3結(jié)束語
本次故障原因是：軸封余汽調(diào)節(jié)閥管線存在
死角， 閥門長期未開導(dǎo)致積水發(fā)生，進(jìn)一步堵塞
軸封汽總管，造成軸封汽量減少，排汽壓力發(fā)生
波動(dòng)。在現(xiàn)場微開了余汽調(diào)節(jié)閥后解決了真空波
動(dòng)問題。今后在大檢修時(shí)，安排對軸封余汽管線
進(jìn)行技改。
通過全面排查找出了35．78 Mw抽汽凝汽式汽
輪機(jī)真空波動(dòng)的原因，排除了故障，避免了停車
事故發(fā)生。真空對凝汽式汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全
性影響很大，真空惡化嚴(yán)重時(shí)會造成末級葉片被
打斷，損壞設(shè)備。因汽輪機(jī)無備機(jī)，一旦發(fā)生停
車事故，工廠經(jīng)濟(jì)損失巨大。抽汽凝汽式汽輪機(jī)
的真空狀況應(yīng)引起技術(shù)及管理人員的高度重視。
(上接55頁)
有頻率。此外，不同規(guī)格換熱管的固有頻率和渦
流分離頻率也不同。換熱器設(shè)計(jì)過程中不僅要滿
足工藝要求，更應(yīng)考慮振動(dòng)對換熱器的影響。通
過有效的方法，避免換熱器產(chǎn)生振動(dòng)，是換熱器
設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是直接影響換熱器使用壽命的關(guān)
鍵所在。
◆參考文獻(xiàn)
【1]錢頌文．換熱器設(shè)計(jì)手冊[M]．北京：中國石化出版社，
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