列管式换热器管束振动特性分析杨一张二甫(洛阳市锅炉压力容器检验所，河南洛阳)摘要：管束换热器之所以振动是由于流体与管束等传热元件的)中击从而产生了诱导振动，而当流体诱发振动的频率与后者的固有频率一致或相当接近时，就会发生共振。用解析法导出了换热器管束固有频率的计算方法，并提出了预防和解决共振问题的措施。关键词：不锈钢点腐蚀PTA装置氯离子溴离子防护：TE965文献标识码：B：1007—015X(2010)04—0062—03换热器运行过程中，由于换热介质的流动而引起传热元件的振动，称之为换热器内流体诱导振动。流体诱导振动可分为两大类：平行于管子轴线的流体诱导振动(简称纵向流诱振)和垂直于管子轴线的流体诱导振动(简称横向流诱振)，且后者是主要的。这种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。20世纪60年代以来，随着换热器容量的不断增加，有关振动破坏的事例逐渐增多。例如，日本美滨核电厂2号机组蒸汽发生器的事故就是由管子的流体弹性振动引起的破裂所致。中国发电设备中的高压加热器由于管束振动和其他原因造成的损失也相当惊人。目前，这些问题已引起世界各国的普遍重视。1管束振动的原因1．1漩涡脱落流体横掠传热管时，其尾部漩涡在流动雷诺数达到一定程度后便在管子两侧周期性交替脱落，产生周期性的升力和阻力，导致管子振动。i．2紊流抖动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与管子的固有频率相近时，管子吸收能量并产生振动。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作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j暑、出r择-crtv钿‘￡且‘L法H—j曲．m．泊厶忙n』槛仕·、士c虹上二’．I肛界值用式Vo=卢f。[面me5Fo]172计算。研究表明，流1一O体速度较低时，振动可能有漩涡脱落或紊流抖振引起，而在流速较高区域，诱发振动的机理主要是流体激振。1．4声共鸣气体流过换热器管束时，可能会产生一个既垂直于管子又垂直于流动方向的驻波，并在换热器内壁之间穿过管束来回反射。同时，流体横掠管束时，在管子后面形成漩涮分离。驻波在来回反射的过程中，漩涡分离的能量不断输人。当驻波的频率与漩涡分离的频率相耦合时，便会引起振动和强烈的噪声。2防止管束振动的措施原理流体诱导振动所产生的振动频率，是由流体横向通过管子造成的。2．1卡曼漩涡分离当流体横向流过管子，在下游尾流处产生一系列交替反对称排列的卡曼漩涡列。管子的表面与流体流动成垂直方向上作用着交变的激振力。频率为周期性的卡曼漩涡频率，其计算式为：加=＆云(1)2．2湍流抖振在管束深处，流体的湍流将对管子施加一随机的激振力，其主导频率肋=历vd[3．05(1一了dO)2+O．28](2)收稿日期：2010—03—17；修稿日期：2010—04—16。作者简介：杨一(1982一)，女，2002年毕业于中国计量学院，获学士学位。现从事锅炉、压力容器和压力管道的在线检验如果fw和ftb与管子固有频率接近，将引起共振，使管束产生激振而损坏。当管子间距较大时，卡曼漩涡的影响是主要的。此外，激振机理还有流体的弹性不稳定漩涡、射流转换等。3防止管束振动的方法流体在换热器内诱发管束振动的机理相当复杂，能够有效地防止振动的完整设计准则还没有建立。因而，仅靠设计来达到防止振动的目的是不太现实的。这就需要在换热器运行过程中依据不同的操作条件，采取相应的防振措施来防止换热器内管束的振动，从而使正常的生产能够连续地进行下去。其中，最常用的方法有：降低换热器壳侧的流速、增加管子的固有频率和改变折流板的形式等。降低换热器壳侧流体速度是防止振动的最直接方法。因为当传热元件的固有频率不变时，降低流速，可使流体脉动的频率降低，从而避免共振的发生。这种方法一般不必改变换热器的原结构，方便易行。3．1增加管子固有频率的方法(1)如果由于折流支承板弓形缺口区管跨太长，以及该区比...