核电厂管壳式换热器管束振动研究
管壳式换热器振动分析和预防
第 57 卷第 1 期2020 年 2 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 57 No. 1Feb. 2020·单元设备·管壳式换热器振动分析和预防周海鸽（中国昆仑工程有限公司，北京 100037）摘 要：总结了管壳式换热器管束振动的机理和判据，提出了预防管束振动发生的多种措施。
同时借助于换热器计算软件HTRI 的振动分析模块，对PTA 工厂中某浆料预热器进行了振动模拟分析。
通过设计参数的调整，在设计阶段即可预防振动的发生。
关键词：换热器；设计；振动；措施；HTRI中图分类号：TQ 050.2；TH 122 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）01-0029-004收稿日期：2019-09-17作者简介： 周海鸽（1979—），女，高级工程师。
主要研究方向为精对苯二甲酸（PTA ）装置的化工工艺和工艺设备设计。
管壳式换热器是石化行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，适用范围从真空到超高压（超过100 MPa ），从低温到高温（超过1 100 ℃），约占市场65%以上的份额 [1]。
随着石化装置的大型化，管壳式换热器的尺寸也越来越大，由于换热器的管束振动而引起的换热设备破坏的事件屡见不鲜，不仅造成了巨大的经济损失，还存在着严重的安全隐患。
因而，换热器设计时的振动分析和防振设计越来越受到设计人员的重视。
1 管束产生振动的机理和判据诱发管束振动的主要原因是垂直于管束的横向流诱振。
目前比较认可的振动机理是“卡门旋涡”“紊流抖动”“流体弹性不稳定”和“声共振” [2]。
但是引起管束振动的原因是十分复杂的，除了上述机理外，学术界还提出了“射流不稳定”“射流转换”“两相流静压脉动”“尾流摆动”等机理 [3]，因此在设计中，很难对引起振动的机理做出明确的判断。
当壳程流体出现以下任一情况时，都有可能发生管束振动，引起管束破坏 [2]：换热管的最大振幅y max ＞0.02 d （4）当壳程流体为气体或蒸汽时，出现下列情况，有可能发生声振动，引起管束破坏：（1）卡门旋涡频率换热器最低固有频率＞0.5=f v f n （2）紊流抖振主频率换热器最低固有频率＞0.5=f t f n （3）横流速度临界横流速度＞1=V V c（5）声频卡门旋涡频率＜1.20.8＜=f a f v （6）声频紊流抖振主频率＜1.2或0.8＜=f a f t式（1）~（6）中，卡门旋涡频率:f S d V v to=（7）式中 S t ——斯特罗哈数；V ——横流速度， m/s ； d o ——换热管外径，m 。
某核电厂管壳式换热器流致振动分析
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。
核电厂管道振动原因分析及对策
核电厂管道振动原因分析及对策摘要：核电站的振动问题是一个非常复杂的涉及多方面的因素的问题，影响核电站运行和维护的因素很多。
针对各种原因，我们应采取必要的改进措施，保证核电站的工艺管道操作过程中的安全性。
关键词：核电厂；管道振动；原因分析；对策前言在这个能源缺乏的时代,社会经济的飞速发展和人们生活水平的日益提高都需要更多的能源供给。
与此同时,传统能源日渐减少且越来越不满足环保要求,而核能作为重要的清洁能源则越来越被各国重视,核电站的应用范围也在不断地扩大。
而在核电站中,介质主要通过各种大小管道来运输和做功。
高温高压的蒸汽及水通过管道时会有紊乱、冲击及冲刷,从而引起管道的振动,有时甚至超出了设计工况。
因此,为了使核电站管道系统能够满足电站的整体设计运行工况,为了能更安全地利用核能,核电站管道的振动问题包括大管道和小管道,应该更引起我们的重视。
1管道振动技术处理方案1.1减震器的增加减震器在核电站管道振动过程中主要是用于抑制弹簧吸震后反弹时产生的震荡,以及其在反弹时出现的路面的冲击。
为了防止减震器在经过不平的路面情况时,出现异常现象,核电站管道振动技术控制人员应当适当增加减震器、吸震弹簧,适当控制弹簧的往复运动,以此抑制这种弹簧过度跳跃。
在核电站管道振动过程中,除了要增加减震器还应当合理搭配减震器与弹簧,使其硬度相搭配。
通过推广引震曲轴装置的使用,实现曲轴扭转震动的科学控制。
减震器作为核电站管道振动系统中不可或缺的重要组成部分,保障减震器在核电站管道振动系统的稳定性、可靠性和准确性对提升核电站管道振动系统的整体运行质量十分重要。
减震器装置的自动校准装置主要组成部分包括计算机、感应器、控制阀等部分。
1.2支架的增加支架在核电站管道振动过程中是能够起到一定支撑作用的构架。
在进行流体输送或液冷核电站管道系统运行过程中,如果支架设计不完善,会导致错误的施工手段和施工方法,核电站内部流体和外部载荷的作用会导致支架发生不同程度的剧烈振动,容易导致核电站的动应力水平严重下降,进而破坏了核电站管道振动系统,严重影响了核电站管道结构的科学配置,容易导致核电站发生一些安全事件,破坏了核电站管道振动的应力。
核电厂管壳式换热器流致振动分析
核电厂管壳式换热器流致振动分析发布时间：2021-03-12T07:07:42.136Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年25期作者：罗士强[导读] 当随机力的主要振动频率与传热管管束固有频率发生重合时会出现一个振动的最大值，称之为峰值。
福建福清核电有限公司福建福清 350300摘要：为研究管壳式换热器运行时管内流体导致换热器管束振动乃至破裂失效的主要原因，此次研究过程中使用相关的建模工具对换热管进行建模，模拟计算相关参数保证换热器的可靠性，避免因流致振动带来的不利影响。
同时确定了导致换热管束断裂主要原因是由于卡门漩涡脱落及流体弹性不稳定。
并提出针对性解决管束断裂的措施，本文基于近年来国际与国内对于换热器流致振动的重要研究成果，阐述采用计算机等相关工具对换热器进行流致振动仿真的技术路线，对于核电站管壳式换热器的安全运行有借鉴意义。
关键词：管壳式换热器；流致振动；卡门漩涡；流固耦合1 管壳式换热器流致振动主要机理分析1）卡门漩涡在传热管内壳侧的流体以高速横流的形式流过，由此在传热管后方的尾部流体中产生一个周期性交替变化的中心对称漩涡脱落尾流，称为卡门漩涡。
卡门漩涡会使传热管两侧产生一个与流向垂直交替变化的激振力，导致传热管振动。
其振动频率与涡漩脱落频率相等［3］。
2）紊流抖动随机力导致的衰减振动被称之为紊流抖动，传热管是否与其发生共振只与其其固有频率有关，当随机力的主要振动频率与传热管管束固有频率发生重合时会出现一个振动的最大值，称之为峰值。
3）脉动流诱发振动由换热管内流体的脉动而引起的振动是强迫振动的一种。
这种振动类型直至今日还未有完整的理论探讨与实验证明，但是并不能否认其在理论上还是实践上的重要意义。
2 水热管壳式换热器流致振动经验计算以某核电厂内一典型水热管壳式换热器为例，依据国标规定开始分析流致振动。
当壳程流体为液体时，符合下列条件中的任意一条，管束振动就有可能发生：1)卡门涡漩频率与换热管最低固有频率之比大于0.5；2)紊流抖动主频率与换热管最低固有频率之比大于0.5；3)横流速度大于临界横流速度。
管壳式换热器振动问题探讨
本文读者也读过(8条) 1. 王立新.荣丁石.张志荣.刘宪卿.WANG Li-xin.RONG Ding-shi.ZHANG Zhi-rong.LIU Xian-qing 湿式空冷器 HTRI选型方法探讨[期刊论文]-石油化工设备2010,39(6) 2. 戴波.柳红 管壳式换热器声振动探析[期刊论文]-当代化工2001,30(1) 3. 姜进科.潘云阳 管壳式换热器优化设计[期刊论文]-化学工程与装备2008(5) 4. 符兴承.吴金星 管壳式换热器管束振动分析及防振措施[期刊论文]-化学工业与工程技术2003,24(3) 5. 陆民廷.LU Min-ting 浅谈管壳式换热器的振动及预防措施[期刊论文]-化工技术与开发2010,39(7) 6. 文东林 管壳式换热器管束防振动设计改进探讨[期刊论文]-制冷与空调2010,10(2) 7. 刘健.Liu Jian 立式热虹吸再沸器HTRI优化设计[期刊论文]-化工设计2008(2) 8. 李安军.邢桂菊.周丽雯.LI An-jun.XING Gui-ju.ZHOU Li-wen 换热器直管非线性振动分析与控制[期刊论 文]-噪声与振动控制2007,27(5)
表 3 跨距对振动的影响
振动倾向 管子非支撑跨距，mm 叉流流速 V，m / S 临界流速 Vc，m / S 叉流流速 / 临界流速 管子固有频率，Hz
跨距 1400mm 入口 管束 出口
有有有 2232 1400 2232 2. 6 1. 58 2. 37 1. 07 1. 46 1. 06 2. 44 1. 08 2. 25 15. 3 24. 7 15. 3
因为管子的固有频率 fD 与跨距 平 方 成 反 比［1］，所以减小跨距是减小振动的最有效措施，
管壳式换热器管束振动失效研究
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。
[论文]换热器的管束振动.2
![[论文]换热器的管束振动.2](https://img.taocdn.com/s3/m/be1e7f80680203d8cf2f2406.png)
修改意见：在这个论文基础上充实一下数据、加上HTRI的算例分析,, 理论分析也再充实一点,, 算例分析就是一台换热器列出几组数据，然后进行分析得出最优方案并对方案进行相关分析得出结论但是内容要有一些深度。
（全文5000字）换热器的管束振动摘要：换热器（英语翻译：heat exchanger）是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，其管束振动破坏容易导致相邻管间磨损、挡板与管子的锯割、支承形式的改变构成磨损等现象其危害也是明显的，文中首先从理论上分析了实现换热器管束不发生较大振动的计算方法，接着以某固定管板式换热器壳体为例进行了探讨，结果表明(即使流体激振频率与换热管的固有频率接近，对于换热管这种受力构件只要合理控制流体激振力对管子的作用相位，能量就不会聚集在换热管上，激振力也就无法激起大的响应；即使流体激振频率偏离管子的固有频率，如果流体激振力对管子的作用相位不合理，激振力也有可能激起较大的响应，这一研究对于改进换热器的管束振动具有一定的借鉴意义。
关键词：管束振动；固定管板式换热器；激振力；响应0 引言热量交换设备换热器在工业生产领域及国民经济中具有十分广泛的应用，是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
随着社会的不断发展，一方面新材料、新工艺和新技术不断出现和运用，另一方面能源的不科持续发展问题越来越严重，也因此促进了石油化工深度加工的发展和完善，对能源的最大使用和减少浪费越来越为人们所重视。
换热器面临更新换代的问题。
发达国家的换热器几乎高新完毕，热回收率达96%之高[1-3]。
其中，新式的换热器设备更新率占到30%左右，、绝大都是管式的换热器，其热效率高，效果质量都非常好。
不过，换热器内的流体诱导产生振动的问题一直以来都是个技术难点，也制约着换热器的技术发展和进步，次问题已经引起国际社会的高度重视并已加强相关的技术研究，振动计算已经成为换热器设计的重要内容之一[4-7]。
管壳式换热器振动分析
漩 涡 分 离 诱 导振 动 、湍 流 抖 振 和 声 共 振均 是 振动响应现象 ，当激振频率与管子固有频率接近 时就 会 产 生振 动 响应 。流 体 弹 性激 振 是流 体 对 管 子 施 加 的质量 阻尼 系 统 能 量 超 过 阻尼 系 统 消 耗 的 能 量时产 生 的振动状 态 。
换 热 器 的振 动机 理 ， 并用 专 业 软 件对 一 实 际项 目 的换 热 器 进 行 了振 动 分 析 ，提 出 了解 决振 动 的方
法。
ｌ振 动 机 理 在 管 束 横 向流 流速 的影 响下 ，换 热 器 管 子会 出现 振 动 的趋 向 ，如 果振 动 振 幅 达 到 足够 大 ，则 可 能会 被一 种或 几种激 振机 理所 破坏 。
（ ４ １ 声共振
在 换 热 器 设计 过 程 中采 用 各种 方法 避 免 振 动 ，是 保证 换热 器 设计 的合 理 性和 使 用 寿 命 的关 键 。但 由于 流 体 诱 导振 动 现 象 的 复杂 性 以及 现 有 技 术 的 限制 ， 目前 尚未 提 出完 善 的预 测 换 热 器 振 动 的方
时 ，会 产 生 很 大 的 能量 ，导 致 换热 管共 振 并 伴 随 着 较大 的振动 振幅 。 （ ３ ） 流 体弹 性激振 当横 流 穿 过 管 束 时 ， 管 束会 承 受 流 体 的不 稳 定动 力 ，从 而 破坏 相 邻 管 子 间 的力 平衡 ，使 之 产 生位 移 。在 临 界流速 Ｗｃ 下 ，发 生流 体弹 性 振 动 ， 如 果横 向流 速 ｗ进 一 步 增 加 将 引 起 管 子 较 大 的振 幅 ，从 而 引起 管子 的破 坏 。