换热器管束振动的原因及防范措施
管壳式换热器换热管振动与预防
２ 流 体 诱 导 振 动 分 析
√
（ Ｈ ｚ ）
在 换 热器 中 ， 壳程 流 体 流路 十分 复 杂 ， 有
式 中 为 Ｕ 型管 的 频率 常 数 ｆ ｉ 为边 界 条 件校 正 常数 ， 两 端 固定 时 ｆ ｊ ＝ ２ ． ２ ６ ９ ， 两端简支 ｆ ｊ ＝１ ， 一 端 固 定 一端 简 支 ｆ Ｉ
固有频 率 ， 它与 管端的 固定 型式 、 中间支点 、
管子断面 、 跨距数 、 跨 距 长 度 以及 材 料 等 都 有
关系 。
ｆ ＝ ｆ ｎ √ １ ＋
有频率 （ Ｈｚ ）
× １ ０ － ６ （ Ｈ ｚ ）
式中ｆ ｎ 表 示 管 子 未 受 轴 向力 作 用 时 的 固 Ｐ表 示 轴 向 力 （ Ｎ） ， 拉 伸取正 值 ， 压 缩 取 负值 计算 表 明： 轴 向 力 可 以 使 固 有 频 率 变 化 达 到 ±４ Ｏ ， 因此 若 不 考 虑 或 不 了 解 轴 向 力 的影响 ， 将 产 生 巨大 的 误 差 。
减 少污 垢 ， 取 国 标 中最 大 无 支 撑 跨距 长 度 的
为管 子有 效 重量 （ ｋ ｇ ／ ｍ） ｐ ｏ 、 ｕ分别 为 壳侧 流 体 在 局部 平 均 温
度 下 的密 度 （ ｋ ｇ ／ ｍ。 ） 及粘度（ ｍＰ ａ
・Ｓ ）
８ Ｏ ， 就 可 以 使 固有 频率 值提 高 ５ Ｏ 以上 。
１ ． １ ． ３ 翅 片 对 固有 频率 的 影 响 计算 翅片管 截面积 的惯性 矩 时 ， 翅 片 段 内径 取 实 际 内径 ， 壁厚约增 加 ８ ／ ｏ ／， 管 子 有 效 重量 应包 括 翅 片重 量 。
管壳式换热器流体诱发振动机理及防振措施01
1.3 换热管振动破坏的形式
3、管与管板处液漏
用胀管法固定的管子，振动时呈弯曲变形。接合 处的管子，受力最大。有可能从胀接处松开或从管孔中 脱出造成漏泄甚至断裂
4、疲劳破坏
管子在振动时反复的受弯曲应力的作用。如果 应力相当高且振动延续时间很长，管壁将因疲劳而 破裂。如果管子的材料存在裂纹且裂纹处于应力场 中的关键部位，或者管子还同时受到腐蚀与冲蚀的 作用，疲劳破坏加速
我国从20世纪70年代开始相继在北京、天津、上海 等地的化工厂、电厂、核反应堆系统的换热器、空 气预热器中也曾发生过管子的振动与声振动。
1.2 换热器流体诱发振动的学术会议
二十世纪60年代，已有较多学者从事换热器中 流体诱发振动的研究。70年代初便已具备召开专题 学术会议的条件。1970年美国阿贡国家实验室（ANL） 主办了“反应堆系统部件中流体诱发振动”会议， 美国机械工程师协会（ASME）主办了“换热器中流 体诱发振动”会议，标志着一个新阶段的开始。
1.3 换热管振动破坏的形式
换
碰撞损伤
热
管
折流板切割
振
动
管与管板处液漏
破 坏
疲劳破坏
形 式
声振动
1.3 换热管振动破坏的形式
1、碰撞损伤
换热器的振幅较大时，相邻管之间或管与 壳体之间便相互碰撞。位于无支撑跨距中点的 管子表面受到磨损而出现菱形斑点，时间长了 ，管壁变薄甚至破裂。
2、折流板切割
为了便于换热管在组装时容易穿过所有折流板上 的管孔，管孔一般比换热管的外径大0.4～0.7mm。由 于存在间隙，管子在振动时不断撞击折流板管孔，犹 如遭到折流板的切割。因而导致管壁变薄或出现开口 。
边界层分离现象及其产生机理
换热设备第1讲-振动及防止
振动的判据
1 准确确定振动计算所需的参数 如管子自振频率及阻尼，流体弹性参数β, St
2 实际上,要准确预测换热管的振动很困难，况且各 种振动机理可能联合作用，为可靠起见，设计时要防 止各种激振
53
振动的判据
54
3 振动的判据
55
防振措施
56
防振措施(1)
1 降低流速 a) 降低壳程流量或流速（反之也降低生产能力） b)增加管间距来降低流速 (反之壳体直径增大) c)改变管束的排列角也可降低流速 d) 设置防冲挡板或导流筒
•
弄虚作假要不得，踏实肯干第一 名。16:00:5216:00:5216:0012/10/2020 4:00:52 PM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想 保安全 ，常把 弓弦 绷。20.12.1016:00:5216:00Dec-2010-Dec-20
•
重于泰山，轻于鸿毛。16:00:5216:00:5216:00Thursday, December 10, 2020
17
微动疲劳
18
微动疲劳
19
微动疲劳影响疲劳强度的主要原因
微动诱发了微，还有 剪切型应力强度因子，加速了裂纹的扩展
20
传热管的磨损
21
传热管的磨损
22
23
24
传热管的磨损
25
传热管的磨损
26
传热管的磨损
27
传热管的磨损
28
紊流抖振动的频率(经验公式)
V-管束中最小自由截面处流速, m/s d0-管子外径，m l, T-管子间距
40
横向流诱发振动的原因(3)
声振动 发生在壳程流体为气体的换热器中 气体进入壳程后，在与流动方向与管子轴线
汽水换热器的设计及振动的消除措施饶欢
汽水换热器的设计及振动的消除措施饶欢发布时间：2023-06-14T03:21:48.089Z 来源：《国家科学进展》2023年4期作者：饶欢[导读] 汽水换热器是石化行业生产重要设施，在大流量高流速气相介质换热时，极易出现管束甚至设备本体的振动。
为进一步延长换热器运营寿命，在现阶段汽水换热器结构设计过程中还需要分析导致振动问题出现的原因，制定切实可行的振动消除措施。
针对此，本文首先分析汽水换热器设计情况，提出换热器防振设计要点，制定汽水换热器振动消除措施，以供参考。
身份证号码：37292919911004xxxx摘要：汽水换热器是石化行业生产重要设施，在大流量高流速气相介质换热时，极易出现管束甚至设备本体的振动。
为进一步延长换热器运营寿命，在现阶段汽水换热器结构设计过程中还需要分析导致振动问题出现的原因，制定切实可行的振动消除措施。
针对此，本文首先分析汽水换热器设计情况，提出换热器防振设计要点，制定汽水换热器振动消除措施，以供参考。
关键词：汽水换热器；设计；振动消除措施前言：以某石化公司换热站为例，该换热站内有六台汽水换热装置，装置采用串联安装方式，可以使水蒸气从90度加热到120度至150度之间。
汽水换热器全部冷凝后需要进入到水水换热装置中，凝结出口的最终温度不得超过95℃。
受到各类因素影响，在汽水换热器运行期间极容易出现振动问题，需要加强换热器运行全过程管控力度。
1、汽水换热器设计常见换热器多数采用固定板块结构，在汽水换热器设计过程中，可以使蒸汽流经壳程并达到全部冷凝[1]。
水水换热装置与汽水换热装置采用串联连接方式，在水水换热器中的采暖水流经管程后，凝结蒸汽水流经壳程。
结合原有设计规范，管程采暖水的接管采用下进上出形式，合成蒸汽以及蒸汽凝结水接管则使用上进下出形式。
由于换热器出现振动报警问题，汽水换热器的壳层接管被调整为侧面进下面出。
借助专用设计软件计算，换热管长度为6米、壳径为1000米。
[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]。
U形管式换热器振动原因分析及应对措施
571 概述某化工公司共设置有2台蒸汽甲醇换热器，主要作用是将饱和气相甲醇进行过热，确保出口气相甲醇满足工艺生产所需的温度，进而保证催化反应正常进行。
结构为U形管卧式换热器，采用并联形式，管程介质为中压饱和蒸汽，壳程介质为甲醇，设备简图见图1。
图1 蒸汽甲醇换热器简图设备工艺参数详见表1。
表1 蒸汽甲醇换热器设计及操作参数项目壳程管程备注工作压力/Mpa 0.3 3.3设计压力/Mpa 4.28 5.35工作温度/℃258250设计温度/℃270285介质甲醇中压蒸汽2 故障现象自2016年该换热器投用以来，发现其存在较大振动并伴随异响，换热器在运行期间管板法兰多次出现泄漏。
2017年检修期间对该换热器进行检查发现换热器管束出现泄漏，管束U形结构位置出现局部变形。
2017年运行期间对换热器振动及噪音进行检测分析认为换热器振动及异响原因是，换热器壳程入口防冲板刚性支撑强度不够，流体冲击防冲板和所在的支撑拉杆而产生颤动，导致振动及异响的发生。
检修期间对该换热器壳程入口增加防冲板结构，振动及异响没有得到有效解决。
3 原因分析3.1 换热器结构设计存在隐患。
壳程入口防冲挡板强度不足。
换热器壳程工艺介质设计流量240t/h，介质走向如图1结构图所示，换热器管束U形结构位于壳程入口位置，当设备正常投用时工艺介质正对防冲挡板，对防冲挡板产生冲刷。
运行期间对换热器入口法兰监测发现，2台换热器壳程入口位置振动分别为1.0mm/s、1.1mm/s，与2017年换热器检修检查结果对照发现，管束变形位置主要集中在U形弯处，印证了防冲挡板强度不足。
壳程入口线速过高。
查换热器设计入口流速为35.72m/s，大流量高流速工艺介质对管束产生较大的冲击。
从管束与流体的相互作用分析，因上述已经分析了换热器变形和振动较大位置集中在U形弯处，此处也同时存在弹性不稳定现象，从而导致工艺介质发生弹性不稳定，诱发了换热管之间、换热管与折流板之间产生振动相互碰撞。
热换器的振动原因及防振措施
热换器的振动原因及防振措施热换器是一种将体系中的热量从一个介质传递给另一个介质的热交换设备。
在使用过程中，可能会出现热换器产生振动的情况。
本文将从以下几个方面探讨热换器产生振动的原因并介绍相应的防振措施。
1. 热换器的振动原因1.1 流体介质振动产生的原因流体介质必将造成很大的运动，由于流体介质的高速运动，极易在其周围形成激流和涡流，形成的流扰动会引起换热器的结构振动，从而产生噪声和对系统的损害。
1.2 蒸汽波动产生的原因热换器内蒸汽的压力和蒸汽的质量通过热换器内部流动的不同构型影响着热交换器的振动。
因为热截流的蒸汽由于热交换器内部的流动不同而产生动态波浪，同时由于蒸汽与热交换器板之间存在位移，导致热截流与热交换器板之间存在Cu的松动或摩擦磨损，从而而造成振动噪声和对系统的损坏。
1.3 孔板振动产生的原因孔板作为管道中具有调节作用的另一个种类型的装置，可能会与管道中的流体产生剧烈的相互作用和振动。
当这些振动传到热换器上时，可能会导致热换器的整体振动。
2. 热换器的防振措施2.1 调节孔板压差为了防止孔板与管道中的流体产生剧烈的相互作用和振动，我们可根据实际情况调节孔板的压差。
降低孔板的流量，增加孔板的孔径，可以减少孔板受流体作用时的振动幅度。
2.2 增加缓冲器在热换器管道与孔板交接处的位置设置合适的缓冲器，可以消除孔板与管道之间产生的径向或切向位移后期振动，使得热交换器的振动减小。
2.3 减少流体的扰动为了减小换热器的结构振动和噪声，我们需要降低流体产生的扰动。
可以通过对物料形式的优化和设备结构的设计来降低流体过程中的分离和遮挡趋势，以达到减少流体扰动的作用。
2.4 及时维护保养定时的保养维护是防止热换器产生振动以及延长使用寿命的有效方法。
定期进行清洗、换油等操作，可以消除因零部件损坏、污垢卡塞或其他原因引起的振动和噪声。
3. 结论热换器在使用过程中产生振动的原因较为复杂，包括流体介质振动、蒸汽波动和孔板振动等。
U型管换热器振动的分析计算及处理对策
分析 K + LK%$M 液氨 ! 释放气换热器的结构特 点， 管束在垂直方向上的折流板跨距较水平方向大， 水平方向单双弓折流板间的跨距最大为 .#" >>， 而
・ #" ・
A/KL
D 型管换热器振动的分析计算及处理对策
K;>"! M N;$ ",,+
垂直方向单弓折流板的最大跨距为 !"#$%& ’’， 大 跨距的管束固有频率会偏低， 可能与气流及声波产
第 "! 卷第 - 期
压
力
容
器
总第 !(9 期
由文献 ［!］ 可知， 管束在进口处及折流板间中会 发生紊流抖振。 "#"#$ 声频引发管束振动的判断 声速： ! % !&&& !"#$% &!’ 式中 （’） 压缩系数 " % !； 定压比热与定容比热的比值 壳侧工作压力 $% % &#!! )*+ （,） ； 壳侧流体 # % !#(!； ! % "($# ’ 1 0 2 声频： () % *! & " + 式中
得： 将各参数代入式 （"） "# E #+ ’ 4 @ 因为 "! E &%+7’ 4 @ H "# E #+ ’ 4 @ "" E 6%7#’ 4 @ H "# E #+ ’ 4 @ 由文献 ［!］ 可知， 在管束进口处和折流板间不会 因横流速度冲击引起振动。 "%"%" 管束中发生卡门涡旋引起振动的判断 卡门涡旋频率 (- 的计算： ( - E . /" ! ! 0 , 式中 （#） 由节径比 . ! * , E #" ! !- E ./ 为斯特罗哈数， 从文献 ［ !］ 查得 ./ E ,%"-； !%$6 及管束正方形排列， 换热管外径 * , E ,%,!- ’’； 将参数代入式 （#） 得： 进口处的卡门涡旋频率 (-! E 6#%& BC 折流板间的卡门涡旋频率 (-" E !##%" BC 由于 (-! ! ( E 6#%& ! !+7%7& E ,%&7 I ,%& (-" ! ( E !##%" ! !+7%7& E ,%- I ,%& 由文献 ［!］ 可知， 管束在进口处及折流板间会发 生卡门涡旋引起的振动。 "%"%# 管束中发生紊流抖振的判断 紊流抖振主频率 (/ E
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、管束振动分析
管壳式换热器在运行过程中,流体在壳程横向冲刷管束,由于工况的变化以及流动状态的复杂性,换热管总会发生或大或小的振动。
产生振动的振源为流体稳定流动产生的振动、流体速度的波动、通过管道或其它连接件传播的动力机械振动等,横向流是流体诱导管束振动的主要根源。
1.1管束振动的机理
1.1.1漩涡脱落当流体横掠换热管时,如果流动雷诺数大到一定程度,在管子背面两侧
就产生周期性交替脱落的反对称漩涡尾流,即卡曼涡街。
漩涡的交替产生和脱落使管子的两侧产生垂直于流向周期性变化的激振力,导致管子发生振动。
其振动频率等于漩涡脱落频率,用式fv=SLv/do计算,由此可见,当管径do一定时,流速v越大,流体诱导振动频率fv越大。
当漩涡脱落频率接近或等于管子固有频率时,就会产生强烈的振动。
1.1.2紊流抖振
紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量,当紊流脉动的主频率ftb与管子的固有频率相近或相等时,管子吸收能量并产生振动[2]。
脉动的主频率ftb由式
ftb=vdolt3051-dot2+0.28计算。
通常认为,当管子间距较大时,卡曼漩涡的影响是主要的;当管子间距较小时,由于没有足够的空间产生漩涡分离,紊流的影响是主要的。
当管子间距与管径之比小于1.5时,漩涡分离一般不会引起管子大振幅的振动。
1.1.3流体弹性激振当流体横向流过管束时,由于流动状态的复杂性,可能使管束中某
一根管子偏离其原来的静止位置,发生瞬时位移,这会改变其周围的流场,从而破坏相邻
管子上的力平衡,使之产生位移而处于振动状态。
当流体速度大到某一程度时,流体弹性力对管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功,管子的响应振动振幅将迅速增大,直到管子间相互碰撞而造成破坏。
发生流体弹性激振时,横流速度的临界值用式
vo=βfnmeδoρd2o1/2计算。
研究表明,流体速度较低时,振动可能由漩涡脱落或紊流抖振引起[3],而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振。
1.1.4声共鸣[4]当气体横向流过平行排列的管束时,可能会产生既垂直于管子又垂直于流动方向的声驻波,并在换热器内壁之间穿过管束来回反射。
同时,气体横掠管束时,在管子的背侧形成漩涡分离,即卡曼涡街。
当卡曼涡街频率fv和换热器壳程声驻波频率fa一致时,产生耦合,使流动介质所具有的动能“转化”为声压波,从而引起换热器振动和强烈的噪声。
声共振只发生在壳程流体为气体的情况,而对于壳程流体为液体的情况,由于声波在液体中的传播速度很大(波长很大),而换热器的直径相对较小,因此难以满足驻波形成的条件。
声驻波频率由式fa=nC2L+计算。
215脉动流诱发振动流体脉动引起的管子振动属于强迫振动,如化肥厂中往复式压缩机冷却器常因为脉动流而发生振动破坏。
但目前对这种振动机理研究得还很少。
二、防振措施
换热管的振动是不可避免的,轻微的振动不但不会带来损坏,而且还有强化传热和减少结垢的作用。
但强烈振动应采取必要的防振措施以减缓振动,避免换热器的振动破坏。
通
过上述分析可知,抗振的根本途径是激振力频率尽量避开管子的固有频率。
工程实践中可采取以下具体的抗振方法:
a)制定合理的开停工程序,加强在线监测,严格控制运行条件,在流体入口前设置缓冲板或导流筒,既可以避免流体直接冲击管束,降低流速,又可以减小流体脉冲;
b)降低壳程流体流速可以降低流体诱导振动的频率,是防止管束振动最直接的方法,但同时传热效率也会随之降低;
c)适当减小折流板间距,增大管壁厚度和折流板厚度,折流板上的管孔与管子采用紧密配合,间隙不要过大,可以优化结构设计,增加管束固有频率,使流体诱导振动频率远离管子固有频率;
d)改变管束支撑形式,采用新型纵向流管束支撑,如折流杆式、空心环式及整圆形异形孔折流板等,可有效消除流体诱导振动,也可减小壳程压力降。