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管殼式換熱器管束振動(dòng)機(jī)理及改進(jìn)措施

文檔作者：吳翔文檔來源：南京英凱工程設(shè)計(jì)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年08月25日
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管殼式換熱器管束振動(dòng)機(jī)理及改進(jìn)措施
吳翔
(南京英凱工程設(shè)計(jì)有限公司， 江蘇南京21OOO9)
[摘要]以往設(shè)計(jì)管殼式換熱器時(shí)只注重強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力等計(jì)算而忽視了換熱器管束振動(dòng)對(duì)設(shè)備的危害。本文分析
了管殼式換熱器管束振動(dòng)的成因，闡述了管束振動(dòng)引起損壞失效的機(jī)理，提出了改進(jìn)措施。
[關(guān)鍵詞]換熱器管束；共振；誘因；失效機(jī)理；改進(jìn)措施
在管殼式換熱器失效損壞分析中可以看出，
管束振動(dòng)造成的損壞占有相當(dāng)比例。隨著石油化
工裝置日益向大型化發(fā)展，換熱器尺寸越做越
大，操作工藝條件越發(fā)苛刻，這就要求設(shè)計(jì)人員
在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮各種因素，
其中包括管束振動(dòng)帶來的問題。而這往往被設(shè)計(jì)
人員所忽視。管束振動(dòng)問題應(yīng)做到事先預(yù)防，在
設(shè)計(jì)階段就應(yīng)統(tǒng)籌考慮解決，而不是在裝置操作
運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)問題后再去補(bǔ)救整改
1流體誘發(fā)管束振動(dòng)
管殼式換熱器流體(氣體或液體)誘發(fā)管束
振動(dòng)的主要成因有五種，即卡曼渦街旋渦脫落、
紊流抖動(dòng)、流體彈性激振、聲共振和流體脈動(dòng)。
1．1卡曼渦街旋渦
當(dāng)流體橫向掠過換熱管時(shí)，在流體雷諾數(shù)大
到一定值時(shí)， 管子迎流體背面兩側(cè)產(chǎn)生周期性交
替脫落非對(duì)稱排列的旋渦尾流，就是卡曼渦街旋
渦。旋渦周期性交替產(chǎn)生脫落，使管子產(chǎn)生垂直
于流體方向周期性變化的激振力而導(dǎo)致?lián)Q熱管振
動(dòng)。振動(dòng)頻率用下式表示[】]：
f~=SN／d。
式中： 一卡曼渦街旋渦頻率；S ．斯特羅哈
數(shù)，無因次；V．橫流速度；do．換熱管外徑
1．2紊流抖振
紊流中脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)源源不斷地
提供給換熱管能量，對(duì)換熱管施加一隨機(jī)的激振
力，當(dāng)受脈動(dòng)激發(fā)主頻率與換熱管固有頻率相近
時(shí)，換熱管吸收能量而產(chǎn)生振動(dòng)。紊流抖振主導(dǎo)
頻率用下式表示【1]：
仁V(1o(3．05(1一 T) +0．28)／lT
式中：ft．紊流抖振主頻率；T．換熱管橫向管
中心距；l 換熱管縱向管中心距；V．橫流速度；
do．換熱管外徑
1．3聲共振
換熱器殼程中氣體或蒸汽流過換熱管時(shí)，在
與流體和換熱管軸線均垂直的方向上形成聲學(xué)駐
波，并在殼程內(nèi)筒壁之間穿過管束來回反射。當(dāng)
聲學(xué)駐波頻率與卡曼渦街旋渦振動(dòng)頻率或紊流抖
振主導(dǎo)頻率相耦合時(shí)，會(huì)使氣體介質(zhì)所具有的動(dòng)
能轉(zhuǎn)化為聲壓波，便發(fā)生聲學(xué)共振。這種駐波環(huán)
繞換熱管的共鳴振動(dòng)通常稱為聲共鳴或聲振動(dòng)，
它是以其聲強(qiáng)度、低頻率和單調(diào)(Pure．Tone)的
噪聲來鑒別的[2]。聲學(xué)駐波頻率用下式表示?：
f．=nc／2D
式中：fa一聲學(xué)駐波頻率；n．振型數(shù)，無因
次；c 聲速；D．特性長度，對(duì)圓柱形殼體則取內(nèi)
直徑。
1．4流體彈性激振
當(dāng)流體橫向流過換熱管時(shí)， 由于流動(dòng)狀態(tài)
的復(fù)雜和非穩(wěn)定性，可使換熱管偏離原來的靜止
位置， 發(fā)生瞬時(shí)位移，這樣將改變周圍的流場(chǎng)原
狀，從而打破相鄰換熱管上的力平衡，導(dǎo)致產(chǎn)生
位移而處于振動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流體速度達(dá)到臨界橫流
速度時(shí)，流體彈性力對(duì)換熱管束所做的功大于換
熱管阻尼作用所消耗的功，換熱管的響應(yīng)振動(dòng)振
幅將迅速增大，導(dǎo)致產(chǎn)生激烈振動(dòng)。換熱管發(fā)生
流體彈性不穩(wěn)定時(shí)的I臨界橫流速度用下式表示Ⅲ：
V。=I~f．do 6。b
式中：V ．臨界橫流速度； 一比例系數(shù)；fn一
換熱管固有頻率；d。．換熱管外徑；6。一質(zhì)量阻尼
作者簡(jiǎn)介：吳翔(1961一)，男，江蘇南京人，大專，工程師。
長期從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。
第10期 吳翔管殼式換熱器管束振動(dòng)機(jī)理及改進(jìn)措施 一63一
參數(shù)，無因次；b一指數(shù)
2設(shè)計(jì)中換熱管振動(dòng)誘因的預(yù)測(cè)
換熱器因振動(dòng)而遭失效破壞是由于流體誘發(fā)
換熱管束振動(dòng)的頻率與換熱管固有頻率相耦合，
這時(shí)極有可能發(fā)生共振，在此臨界狀態(tài)，流體有
很強(qiáng)的激振力迫使換熱管強(qiáng)烈振動(dòng)。換熱管束的
管子具有多個(gè)固有頻率， 每一種固有頻率對(duì)應(yīng)一
種不同振型， 當(dāng)受某一種特定頻率的激發(fā)荷載作
用時(shí)， 就可能發(fā)生某種振型的共振。換熱管發(fā)生
振動(dòng)的基本條件是各種激振力的頻率等于或接近
換熱管的固有頻率。因此要有效預(yù)防共振發(fā)生，
必須分別計(jì)算出卡曼渦街旋渦振動(dòng)頻率fv、紊流抖
動(dòng)頻率￡、聲學(xué)駐波頻率￡、臨界橫流速度Vc和換
熱管固有頻率fo。其判據(jù)有可能發(fā)生管束振動(dòng)的情
況有 ”：
(1)卡曼渦街旋渦頻率fv與換熱管最低固有
頻率fo之比大于0．5；
(2)紊流抖動(dòng)主頻率￡與換熱管最低固有頻
率fn之比大于0．5；
(3)橫流速度V大于臨界橫流速度V。
判據(jù)有可能發(fā)生聲振動(dòng)的情況是在換熱器殼
程內(nèi)流體為氣體或蒸汽在任何振型的聲頻fa處于下
歹U范圍內(nèi)：0．8fv<1．2￡或0．8>

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