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摘 要：该文分析了列管式换热器管束振动产生的主要原因、影响因素及其对列管式换热器产生的各种破坏性影响，相应提出了防止或者限制管束振动的措施。
关键词：换热器 管束振动 诱导振动
中图分类号：TE965 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0066-02
列管式换热器是化工生产中应用最广泛的换热器。使用中，管束振动影响正常工作、降低传热效率、产生强烈噪音，导致管子磨损、断裂、流体泄漏，装置停产。控制管束振动，对换热器稳定运行具有重要意义。
1 列管式换热器管束振动的产生
列管式换热器的管束由多个折流板支撑，是一具有多个中间支点的弹性连续梁，具有多界离散固有频率。当诱导振动频率等于或者接近某一固有频率时，就会产生共振。
1.1 壳程流体横向掠过管子，产生涡流脱落
横向掠过管子的流体到达管子时，在管子正面边缘形成一个滞止点，流体动力转换为流体压力并与流体原来的压力相叠加，产生一较高的压力。当流体从这一点环绕管子边界流到管子最宽的部分时，边界层分离为两股自由剪切流层，并在管子后面形成尾迹旋涡，如图1所示。旋涡交替从管子两侧脱落，管子两侧流体压力交替变化，使管子产生受迫振动。当涡流脱落频率和管子某一固有频率接近时，管束就产生强烈共振。
1.2 壳程流体弹性旋转
当流体横向绕过一排列管时，相邻管子的力场相互作用，管子产生的弹性位移与作用在管子上的流体力交替地相互影响，使施加在管束上的力场发生震荡，把能量传递给管子。如果壳程流体的绕流速度达到或者超过管子的临界速度，管子在一个振动循环中从流体中吸取的能量超过管子阻尼消耗的能量，管子即处于不稳定状态，产生强烈振动。
1.3 紊流抖振
换热器壳程流体一般为湍流流体，在各个方向上都有频率范围很宽的随机波动速度分量，流体流过管外时，这些湍流分量向管子传递能量，诱导管子产生随机振动，形成紊流抖振。某一湍流速度分量的频率等于或者接近于管子固有频率时，会诱导管子共振。
2 管束振动的主要影响因素
2.1 阻尼
列管式换热器中，主要有以下三种类型阻尼。
2.1.1 流体动力阻尼
壳程流体流过管束时，由于其粘性和压力阻滞作用而引起。
（1）管子与流体之间存在摩擦阻力，导致管子振动能量损失，降低振动。
（2）管子振动使相邻管子之间的流道宽度产生变化，引起流体流动状态变化，被挤压流体以与管子振动方向相反的力反作用于管子，消耗管子振动能量。
2.1.2 材料阻尼
管束振动时，管束本身变形消耗一部分振动能量而引起。
2.1.3 结构性阻尼
管束振动时，管子与折流板孔或支撑板孔之间以及管子与管板之间产生摩擦、碰撞而消耗一部分振动能量而引起。
阻尼消耗振动能量，减小管束振幅，保证换热器平稳运行。总体而言，材料阻尼相对较小；壳程流体压力较高时，流体动力阻尼占主要地位；壳程流体为低密度气体或蒸汽时，结构性阻尼占主要地位。
2.2 管束节径比与壳程流速
管束节径比是换热管中心距和换热管外径的比值。管束节径比与壳程流速的大小直接决定了管束振动的主要诱因和振动强度。
管束节径比比较大时，为旋涡脱落和尾迹形成提供了足够空间，容易形成规律性的旋涡脱落。流体流速大小决定旋涡脱落频率和旋涡脱落强度，直接影响管束振动的频率和振幅。流速越大，管束振动频率和振幅就越大。
节径比比较小时，宽频带脉动湍流旋涡取代旋涡脱落，管子从频率接近自身固有频率的湍流分量中吸收能量产生振动。此时紊流抖振成为导致管束振动的主要因素。
节径比比较小而流体流速较高时，则产生流体弹性旋转。管子振幅随流速增加而急剧增大，使管子相互碰撞而最终导致损坏。
2.3 冲击角
冲击角影响临界横流速度。列管式换热器中，换热管冲击角有四种：30 °、60 °、90 °和45 °。其他条件不变的情况下，临界横流速度的大小次序依冲击角的次序为：
45°>30°>60°>90°
从避免产生流体弹性旋转角度考虑，换热管应尽量避免采用正方形排列形式。
2.4 旁路流和漏流
列管式换热器中，管束外层和壳体之间存在间隙，流体流过此间隙形成旁路流；另外，在折流板和壳体内径之间、换热管和折流板管孔之间、分程隔板与管束之间也存在间隙，流体流过这些间隙形成漏流。旁路流和漏流使壳程流体扰动加剧，使管束湍振加剧。同时，旁路流和漏流流速比较高，可能在局部产生共振。
3 管束振动对列管式换热器的影响
（1）相邻管子碰撞损坏。
（2）折流板管孔与管子产生摩擦，导致管子被切割破坏或折流板管孔磨损扩大甚至相邻管孔被磨损洞穿。
（3）管子与管板之间的连接产生疲劳破坏。
（4）壳程流体为气体时，产生过量声学扰动，造成噪声污染。
（5）壳侧压力降增大，增加能耗。
（6）管子发生疲劳破坏。
4 控制管束振动的措施
在设计、制造和使用列管式换热器时，可采取以下措施控制管束振动。
（1）换热器在额定工作条件下避免管子发生任何形式的共振。具体要求是：
a涡流脱落频率fV不大于换热管最低固有频率的50%。
b紊流抖振主频率不大于换热管最低固有频率的50%。
c壳程横向流速不大于临界横流速度Vc。
d壳程流体为气体时，任何振型的驻波频率不处于以下范围中：
0.8 fV << 1.2 fV
0.8 ft << 1.2 ft
（2）采取以下措施，降低壳程流速：
a减小壳程流体流量或者加大壳体尺寸。
b加大换热管中心距。
c采用双弓形折流板。
（3）在折流板之间及折流板窗口处安装纵向解谐隔板，减小气柱尺寸，增大驻波频率，防止发生声学共振。
（4）减小管子跨距长度，增大管子固有频率，避免发生共振。
（5）用钢丝捆紧管束、或者在外侧管子之间插入木楔、将折流板和管子焊成一体，提高管束固有频率，防止产生共振。
（6）增加折流板厚度、减小管子与折流板孔间隙、增大管子壁厚以增大阻尼。
（7）增大进口管直径、安装防冲板，降低壳程流体流速，减小流体干扰频率和扰动强度。
（8）减少旁路流，降低流体扰动，防止管束产生局部共振：
a采用整体开窗折流板，消除旁路流，如图2所示。
b采用密封带结构，阻挡旁路流，如图3所示。
（9）在换热器内使用橡胶、木质材料、塑料等吸振材料，增加阻尼。
关键词：换热器 管束振动 诱导振动
中图分类号：TE965 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0066-02
列管式换热器是化工生产中应用最广泛的换热器。使用中，管束振动影响正常工作、降低传热效率、产生强烈噪音，导致管子磨损、断裂、流体泄漏，装置停产。控制管束振动，对换热器稳定运行具有重要意义。
1 列管式换热器管束振动的产生
列管式换热器的管束由多个折流板支撑，是一具有多个中间支点的弹性连续梁，具有多界离散固有频率。当诱导振动频率等于或者接近某一固有频率时，就会产生共振。
1.1 壳程流体横向掠过管子，产生涡流脱落
横向掠过管子的流体到达管子时，在管子正面边缘形成一个滞止点，流体动力转换为流体压力并与流体原来的压力相叠加，产生一较高的压力。当流体从这一点环绕管子边界流到管子最宽的部分时，边界层分离为两股自由剪切流层，并在管子后面形成尾迹旋涡，如图1所示。旋涡交替从管子两侧脱落，管子两侧流体压力交替变化，使管子产生受迫振动。当涡流脱落频率和管子某一固有频率接近时，管束就产生强烈共振。
1.2 壳程流体弹性旋转
当流体横向绕过一排列管时，相邻管子的力场相互作用，管子产生的弹性位移与作用在管子上的流体力交替地相互影响，使施加在管束上的力场发生震荡，把能量传递给管子。如果壳程流体的绕流速度达到或者超过管子的临界速度，管子在一个振动循环中从流体中吸取的能量超过管子阻尼消耗的能量，管子即处于不稳定状态，产生强烈振动。
1.3 紊流抖振
换热器壳程流体一般为湍流流体，在各个方向上都有频率范围很宽的随机波动速度分量，流体流过管外时，这些湍流分量向管子传递能量，诱导管子产生随机振动，形成紊流抖振。某一湍流速度分量的频率等于或者接近于管子固有频率时，会诱导管子共振。
2 管束振动的主要影响因素
2.1 阻尼
列管式换热器中，主要有以下三种类型阻尼。
2.1.1 流体动力阻尼
壳程流体流过管束时，由于其粘性和压力阻滞作用而引起。
（1）管子与流体之间存在摩擦阻力，导致管子振动能量损失，降低振动。
（2）管子振动使相邻管子之间的流道宽度产生变化，引起流体流动状态变化，被挤压流体以与管子振动方向相反的力反作用于管子，消耗管子振动能量。
2.1.2 材料阻尼
管束振动时，管束本身变形消耗一部分振动能量而引起。
2.1.3 结构性阻尼
管束振动时，管子与折流板孔或支撑板孔之间以及管子与管板之间产生摩擦、碰撞而消耗一部分振动能量而引起。
阻尼消耗振动能量，减小管束振幅，保证换热器平稳运行。总体而言，材料阻尼相对较小；壳程流体压力较高时，流体动力阻尼占主要地位；壳程流体为低密度气体或蒸汽时，结构性阻尼占主要地位。
2.2 管束节径比与壳程流速
管束节径比是换热管中心距和换热管外径的比值。管束节径比与壳程流速的大小直接决定了管束振动的主要诱因和振动强度。
管束节径比比较大时，为旋涡脱落和尾迹形成提供了足够空间，容易形成规律性的旋涡脱落。流体流速大小决定旋涡脱落频率和旋涡脱落强度，直接影响管束振动的频率和振幅。流速越大，管束振动频率和振幅就越大。
节径比比较小时，宽频带脉动湍流旋涡取代旋涡脱落，管子从频率接近自身固有频率的湍流分量中吸收能量产生振动。此时紊流抖振成为导致管束振动的主要因素。
节径比比较小而流体流速较高时，则产生流体弹性旋转。管子振幅随流速增加而急剧增大，使管子相互碰撞而最终导致损坏。
2.3 冲击角
冲击角影响临界横流速度。列管式换热器中，换热管冲击角有四种：30 °、60 °、90 °和45 °。其他条件不变的情况下，临界横流速度的大小次序依冲击角的次序为：
45°>30°>60°>90°
从避免产生流体弹性旋转角度考虑，换热管应尽量避免采用正方形排列形式。
2.4 旁路流和漏流
列管式换热器中，管束外层和壳体之间存在间隙，流体流过此间隙形成旁路流；另外，在折流板和壳体内径之间、换热管和折流板管孔之间、分程隔板与管束之间也存在间隙，流体流过这些间隙形成漏流。旁路流和漏流使壳程流体扰动加剧，使管束湍振加剧。同时，旁路流和漏流流速比较高，可能在局部产生共振。
3 管束振动对列管式换热器的影响
（1）相邻管子碰撞损坏。
（2）折流板管孔与管子产生摩擦，导致管子被切割破坏或折流板管孔磨损扩大甚至相邻管孔被磨损洞穿。
（3）管子与管板之间的连接产生疲劳破坏。
（4）壳程流体为气体时，产生过量声学扰动，造成噪声污染。
（5）壳侧压力降增大，增加能耗。
（6）管子发生疲劳破坏。
4 控制管束振动的措施
在设计、制造和使用列管式换热器时，可采取以下措施控制管束振动。
（1）换热器在额定工作条件下避免管子发生任何形式的共振。具体要求是：
a涡流脱落频率fV不大于换热管最低固有频率的50%。
b紊流抖振主频率不大于换热管最低固有频率的50%。
c壳程横向流速不大于临界横流速度Vc。
d壳程流体为气体时，任何振型的驻波频率不处于以下范围中：
0.8 fV << 1.2 fV
0.8 ft << 1.2 ft
（2）采取以下措施，降低壳程流速：
a减小壳程流体流量或者加大壳体尺寸。
b加大换热管中心距。
c采用双弓形折流板。
（3）在折流板之间及折流板窗口处安装纵向解谐隔板，减小气柱尺寸，增大驻波频率，防止发生声学共振。
（4）减小管子跨距长度，增大管子固有频率，避免发生共振。
（5）用钢丝捆紧管束、或者在外侧管子之间插入木楔、将折流板和管子焊成一体，提高管束固有频率，防止产生共振。
（6）增加折流板厚度、减小管子与折流板孔间隙、增大管子壁厚以增大阻尼。
（7）增大进口管直径、安装防冲板，降低壳程流体流速，减小流体干扰频率和扰动强度。
（8）减少旁路流，降低流体扰动，防止管束产生局部共振：
a采用整体开窗折流板，消除旁路流，如图2所示。
b采用密封带结构，阻挡旁路流，如图3所示。
（9）在换热器内使用橡胶、木质材料、塑料等吸振材料，增加阻尼。