流体诱发换热器管束的振动
折流杆式换热器流致振动分析
图 １ 换热器主体结构示意
换热器内部结构如图 ３所示，换热管两侧由
图 ３ 换热器内部结构示意
换热器相关的设备设计参数及结构尺寸如表 １所示。
表 １ 换热器相关设计参数
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｒｏｄｂａｆｆｌｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｔｕｂｅｏｆａｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｅｍｐｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｔｈｅｆｌｏｗｉｎ ｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｒｏｄｂａｆｆｌｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｓｔａｔｉｓｔｉｃｄａｔａｏｆｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｔｕｂｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｉｓａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄａｒｅｗｅｌｌｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆ ｆａｉｌｕｒｅｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆａｉｌｕｒｅｔｙｐｅ，ｅｔｃ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｄｂａｆｆｌｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｆｌｏｗｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引言
管壳式换热器因其较好的性能和可靠性，在 工业上广泛应用。全球换热设备中约有 ３５％ ～ ４０％的份额为管壳式换热器［１－３］。传统的管壳式 换热器一般通过管板实现管束支撑和换热强化， 其主要缺点是：壳程流体会形成流动和换热死区， 影响换热，同时易造成杂质的沉积；板间流体横向 冲刷换热管束引发的振动极易造成管束的损坏。
酸性水汽提塔底再沸器的振动与预防
酸性水汽提塔底再沸器的振动与预防摘要：某炼厂汽提塔底再沸器换振动引发换热管短管。
阐述了流体诱发振动的机理及危害，按照GB/T151—2014附录C对该再沸器进行流体诱发振动计算，验证诱发振动的可能性，并给出改进措施。
关键词：诱发振动；再沸器；U形管；固有频率1、前言某炼厂酸性水气体装置汽提塔底再沸器为釜式结构。
汽提塔底再沸器自投入使用后，在运行过程中，塔体存在较明显的振动，对其进行检修时发现上部外侧换热管在支持板位置出现磨损穿孔、断管。
初步判断是换热管振动时与折流板碰撞、磨损导致。
为了进一步确认原因，我们按照GB/T151—2014附录C对该再沸器进行流体诱发振动计算，验证诱发振动的可能性。
换热器具体参数见表 1 表1 汽提塔底再沸器设计参数2、流体诱发振动的机理及危害2.1 流体诱发振动的机理流体诱发振动主要是指换热器受壳层横向流动流体的激发而产生的振动。
由于需要考虑流体力学、结构力学和材料的机械性质，因此换热管的振动分析是一个非常复杂的问题。
为了降低问题的复杂性，在振动分析过程中仅考虑壳层流经管束的流体引起的换热管振动，不包括诸如泵产生的脉动或者厂房其他操作传递至换热器而引发的振动现象。
由于换热器的振动机理复杂，不能由一种方法预测全部的振动现象，因此必须综合考虑各种因数，主要振动机理由四种，分别为：卡门旋涡，湍流抖振，流体弹性不稳定性和声共振。
2.2流体诱发振动的危害2.2.1流体诱发振动在管壳式换热器内的表现形式有以下两种：（1）在换热管固有频率处的振动。
当旋涡脱落或湍流抖振频率和换热管固有频率重合时将使换热管产生大幅度的振动，这种形式的振动将导致换热管的严重破坏。
换热管的最小固有频率主要受最大无支撑跨距影响。
（2）在换热器壳体的声学驻波频率处产生的声共振。
当旋涡脱落或湍流抖振频率接近换热器内空气柱的声学驻波频率时，就会在换热器内发生声共振。
这种形式的振动不会导致换热管振动但是会产生较大的噪音，对人耳产生损害。
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。
浅谈基于HTRI的管壳式换热器防振设计
(２) 湍流抖振主频率 ｆ ｔ 与换热管最低固有频 率 ｆ ｎ之比大于 ０������ ５ꎮ
(３) 换热管的最大振幅 ｙ ｍａｘ > ０������ ０２ｄ ｏꎮ (４) 横流速度 Ｖ 大于临界横流速度 Ｖ ｃꎮ 可见ꎬ 流体流速是影响振动因素中最重要的 参数ꎬ ＴＥＭＡ 规定对于管跨的临界流动速度是可引 起管跨 不 可 接 受 的 大 振 幅 振 动 的 最 小 横 流 速 度ꎮ 壳侧区域每段的横流流速必须小于对应的临界流 速才能确保不产生振动ꎮ 所以降低壳程流体的流 速或者通过一些措施提高临界流速都是避免振动 的一个很有效的方法ꎮ 同时从以上振动发生的判 据还可以看出ꎬ 借助增加换热管的固有频率也可 以减小振动发生的可能性ꎮ 临界流速的计算式 [２] :
２０１９ꎬ２９(２)
贾会平 浅谈基于 ＨＴＲＩ 的管壳式换热器防振设计
３３
ｆ ｎ ＝ ３５������ ３λ ｎ
Ｅ (ｄｏ ４ － ｄｉ ４) ｍｌ ４
(２)
式中ꎬ ｄ ｏ为换热管的外径ꎻ ｄ ｉ 为换热管内径ꎻ Ｋ ｃꎬ δ ｓ ｂ 为 临 界 流 速 系 数ꎻ Ｅ 为 材 料 的 弹 性 模 量ꎬ ＭＰａꎻ ｌ 为跨距ꎻ ｍ 为单位换热管长的质量ꎻ λ ｎ 为 频率常数ꎬ 无因次ꎮ
１２������ ５ / － １������ ３
１������ ４５３
１������ ５１２
２１
２１
０������ ０００１７
０������ ０００３４
４������ ３７３
设计换热器时满足工艺要求是首要的ꎬ 换热 器选 型 ＢＥＭꎬ 核 定 两 台 直 径 为 ２１００ｍｍ、 管 长 ９������ ０ｍ 的换热器ꎬ 两台串联可满足换热要求ꎬ 其次 是查看软件的振动警告信息ꎬ 通过优化调整换热 器结构参数来消除 ＨＴＲＩ 振动警告从而避免管束振 动破坏ꎮ ＨＴＲＩ 软件计算的初步结果的警告信息以 英文显示表明ꎮ
管壳式换热器管束流致振动实例分析
管壳式换热器管束流致振动实例分析矫明【摘要】Elaborate the vibration mechanism induced by shell and tube heat exchanger tube bundle flow . Based on the Xist and Xvib modules of the HTRI software ,analyze and study the examples of vibration induced by shell and tube heat exchanger tube flow , and compare the advantages , disadvantages and adaptability between the HTRI‐Xist and HTRI‐Xvib analysis .%阐述管壳式换热器管束流致振动的机理，基于HTRI软件的Xist和Xvib模块，进行管壳式换热器管束流致振动实例的分析与研究，并比较了HTRI‐Xist与HTRI‐Xvib分析方法的优缺点及适应性。
【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P80-83)【关键词】管壳式换热器;振动机理;管束振动分析;HTRI-Xist;HTRI-Xvib【作者】矫明【作者单位】上海核工程研究设计院，上海 200233【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5流致振动会引起换热器的额外压力损失、噪声和传热元件的破坏，迄今国内外的大型换热器因振动而导致破坏的实例屡见不鲜，破坏程度十分惊人，已经引起世界各国的普遍重视。
目前，管壳式换热器管束的流致振动问题，已经成为换热器设计人员需要重点考虑的问题之一。
现就流致振动机理进行初步探讨，并结合工程实践，基于HTRI软件，对设计过程中管束流致振动分析方法进行研究。
1 管壳式换热器管束流致振动机理管壳式换热器内流体的运动十分复杂，有管束上的横向流、轴向流、旁通流等；管束两端的进出口有滞留区。
基于流固耦合的换热管束振动分析
基于流固耦合的换热管束振动分析孙雷;赵刚;刘华君;张世民【摘要】阐述了换热器管束振动的机理、破坏形式以及换热管共振特性的研究方法.突破传统研究方法的局限性,运用有限元分析软件,采用流固耦合的方法对换热管共振特性进行了研究.结合某油田项目中一台管壳式换热器,对单根换热管共振特性、换热管束共振特性影响因素以及动态响应特性进行了全面研究,得出了调整换热管束共振频率、避免共振的有效方法,结论具备一定的工程应用参考价值.%The mechanisms and destruction types of tube bundle for heat exchanger were described as well as the research method of resonance characteristics. Based on the finite element analysis software, the method of fluid - structure coupling was applied on the research. Combining with a set of heat exchanger, the factors affecting the resonance characteristics of single tube and tube bundle were researched comprehensively as well as the characteristics of dynamic response. Then the effective measures of adjusting the resonance frequency and avoiding resonance are obtained. The conclusions can be used in engineering as reference.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)008【总页数】5页(P39-43)【关键词】换热管束;流固耦合;共振特性【作者】孙雷;赵刚;刘华君;张世民【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津300451;海洋石油工程股份有限公司,天津300451;海洋石油工程股份有限公司,天津300451;海洋石油工程股份有限公司,天津300451【正文语种】中文【中图分类】TE965;0241.820 引言在管壳式换热器的设计中，为了使其具有较高的热力性能和低的污垢度，通常需要高的流速、合理的压降［1］。
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。
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。
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流体诱发换热器管束的振动
摘 要：换热器是火力发电厂热力系统中的一项重要设备。通过对换热器管
束振动的主要原因及防振措施的分析，为合理设置换热器管束提供了一种可靠的
设计方法。
关键词：换热器 管束振动 防振措施
一、引言
换热器是火力发电厂热力系统中的一项重要设备，它可以提高电厂热效率，
节省燃料，并有助于机组安全运行。在换热器设计过程中，流体横向流过管束时，
流体诱发的换热器管束振动问题成为设计者考虑的重要环节，如果管束防振设计
不合理，在流体流动诱导振动时，会导致管子与管板的连接处的管接头受到反复
作用力而产生疲劳破坏，管子之间也可能产生碰撞，另外管子与支撑的折流板之
间还会产生剪切破坏与磨损，最终可致使换热管断裂，造成换热器局部失效甚至
整体报废，将给使用单位带来很大的损失。
二、管束振动的主要原因
在换热器的运行过程中，为了强化传热和减少结垢，经常采用提高流体流速
的方法。然而，在流体流速提高后，会导致管壳式换热器管束的振动，另外，管
束与泵、压缩机共振，回转机械产生的直接脉动冲击，换热器经常开停车等，都
会导致管束的诱导振动，最终致使管束失效。换热管内外的介质存在很大的温差
时，由于换热管轴向受热不均匀，引起的热胀冷缩不均衡，再加上多个折流板对
换热管受热伸缩的束缚，很容易引起整个管束在壳体内的振动。如果壳侧流体发
生相变，加上壳侧结构设计不合理的话，也会造成壳体内压力不均衡时也容易引
起管束的振动。总之，只要存在压力差、温度差等传动力的情况下都是振动产生
的诱因。
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。
三、由于管束振动而造成的破坏形式
3.1 换热管被撞击造成破坏
当管束的振幅足够大时，会导致管子之间相互碰撞，位于管束外围的管子与
壳体内壁发生碰撞。在碰撞中，管壁磨损越变越薄，最终使换热管开裂的现象发
生。
3.2 防冲挡板设置不当和换热管局部失效
应该设置而未设置防冲挡板或防冲挡板设置不当时，流体进入管束时直接冲
击换热管束，对换热管和管板造成冲刷腐蚀，同时会因流体分布不均匀及流体流
速过高造成换热管局部腐蚀和磨损，甚至引起管束振动。折流板孔和换热管之间
一般存在着径向间隙，换热管的横向振动就会引起换热管外壁与折流板的孔内壁
间产生反复摩擦，如果折流板厚度较小，就会对管子产生锯切作用，在一段时间
后会将管子切断而发生换热管局部失效。
3.3 应力疲劳失效
如果换热管材料本身存在着缺陷，或者由于腐蚀和磨损产生了裂纹等的缺
陷，在振动引起的交变应力作用下，位于主应力方向上的裂纹就会迅速扩展，最
终导致管子疲劳失效。
3.4 接头泄漏
管板与换热管连接（简称管接头）的质量是衡量换热器质量的最重要标志，
换热器的失效绝大多数集中在管接头上。然而，在工程实际中，由于接头处存在
间隙而产生缝隙腐蚀，在拉应力作用下而产生应力腐蚀，在疲劳应力作用下而使
接头松动或裂开等，都会造成管接头的泄漏
3.5 冶金失效
振动使换热管产生交变应力，从而导致管子表面的垢层和氧化层脱落，在管
子表面留下凹坑，在凹坑处常引起应力集中，致使管子失效。管壳式换热器振动
引起的破坏主要是管子的磨损和疲劳断裂，破坏位置位于壳程流体进出口区域附
近、折流板缺口附近、管束与管板接头附近和管束外围等。
四、防振措施
4.1 改变流速
较高的流速虽能提高换热器的换热效率，但同时会引起加热器内管道的磨损
加快，根据美国HEI《表面式给水加热器标准》碳钢管的管内最高流速不宜超过
2.4m/s，不锈钢管的管内流速最高为3m/s。降低U型管内的水流速，严格控制
在美国HEI标准规定的范围以内，这就要求增加换热管的根数，加大换热器的
外径或加长其长度，但也要符合现场安装的要求。
4.2制定合理的开停车程序
设备运行过程应加强在线监测，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。
4.3 改变换热管的固有频率
4.3.1 减小换热管的跨距 换热管在其材料允许使用温度范围内的最大无支
撑跨距符合GB151中的规定。
4.3.2 折流板缺口区不布管，使换热管受到所有折流板的支撑。
4.3.3 在不影响横流速度的情况下，折流板之间增设支撑板。
4.3.4 在换热管二阶振型的节点位置处增设支撑件。
4.3.5 U型弯管段设置支撑板或支撑条。
4.4 在壳程沿平行于气流的方向插入纵向隔板，以减小特性长度D，可提高
声频，防止声振动，纵向隔板的位置，应错开驻波的节点而靠近波腹。
4.5 改变管束支撑形式
采用新型的纵向流管束支撑，例如折流杆式、空心环式、整圆形异形孔折流
板，还可以用折流带或折流棒来代替折流板等。这些方法都可以有效地防止管束
振动。
4.6 在换热管外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条，可抑制周期性
旋涡的生成。
4.7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；
五、结束语
综上所述，针对流体诱发换热器管束的振动问题，振动主要是有温差过大造
成的，提温过快，物料预热不足等等都会导致振动。最好是在事前预防，而不是
待振动出现后再去修正。这就要求我们在换热器的设计过程中应该充分考虑各种
因素，对换热器做整体防振设计，只有这样才能使我们设计的产品更加完善，操
作使用起来更加的安全可靠。
参考文献：
[1] GB151-1999《管壳式换热器》。国家质量技术监督局发布[S]
[2] 蔡锡琮编著《高压给水加热器》。水利电力出版社[M]
[3] 管壳式换热器管束振动分析及防振措施 符兴承 吴金星。化学工业与工
程技术。2003.6