管壳式换热器管束振动机理和改进措施.pdfVIP

管壳式换热器管束振动机理及改进措施 吴翔 (南京英凯工程设计有限公司，江苏 南京21OOO9) [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。 [关键词]换热器管束；共振；诱因；失效机理；改进措施 在管壳式换热器失效损坏分析中可以看出， 中心距 ；l换热管纵 向管中心距 ；V ．横流速度； 管束振动造成的损坏 占有相当比例。随着石油化 do．换热管外径 工装置 日益 向大型化发展 ，换热器尺寸越做越 1．3声共振 大，操作工艺条件越发苛刻，这就要求设计人员 换热器壳程中气体或蒸汽流过换热管时，在 在管壳式换热器设计中，应充分考虑各种因素， 与流体和换热管轴线均垂直的方向上形成声学驻 其 中包括管束振动带来的问题 。而这往往被设计 波，并在壳程 内筒壁之间穿过管束来回反射。当 人员所忽视。管束振动问题应做到事先预防，在 声学驻波频率与卡曼涡街旋涡振动频率或紊流抖 设计阶段就应统筹考虑解决，而不是在装置操作 振主导频率相耦合时，会使气体介质所具有的动 运行中发生振动问题后再去补救整改 能转化为声压波，便发生声学共振。这种驻波环 1流体诱发管束振动 绕换热管的共鸣振动通常称为声共鸣或声振动， 管壳式换热器流体 (气体或液体)诱发管束 它是以其声强度、低频率和单调 (Pure．Tone)的 振动的主要成因有五种，即卡曼涡街旋涡脱落、 噪声来鉴别的[2]。声学驻波频率用下式表示…： 紊流抖动、流体弹性激振、声共振和流体脉动 。 f．=nc／2D 1．1卡曼涡街旋涡 式中：fa一声学驻波频率；n．振型数，无因 当流体横向掠过换热管时，在流体雷诺数大 次；c声速；D．特性长度，对圆柱形壳体则取内 到一定值时，管子迎流体背面两侧产生周期性交 直径。 替脱落非对称排列的旋涡尾流，就是卡曼涡街旋 1．4流体弹性激振 涡。旋涡周期性交替产生脱落，使管子产生垂直 当流体横 向流过换热管时，由于流动状态 于流体方向周期性变化的激振力而导致换热管振 的复杂和非稳定性，可使换热管偏离原来的静止 动。振动频率用下式表示[】]： 位置，发生瞬时位移，这样将改变周 围的流场原 f~=SN ／d。 状，从而打破相邻换热管上的力平衡，导致产生 式中： 一卡曼涡街旋涡频率；S ．斯特罗哈 位移而处于振动状态 。当流体速度达到临界横流 数，无因次；V．横流速度 ；do．换热管外径 速度时，流体弹性力对换热管束所做的功大于换 热管阻尼作用所消耗的功，换热管的响应振动振 1．2紊流抖振 幅将迅速增大，导致产生激烈振动。换热管发生 紊流中脉动变化的压力和速度场源源不断地