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1、管壳式换热器流体诱发振动机理及防振措施 (一),保定金能公司,主要内容,5、管壳式换热器防振措施,3、国内外标准或者计算方法,2、管束流体诱发振动产生的机理,1、换热器流体诱发振动的简介,4、我国标准关于管束振动的内容,6、管束流体诱发振动的计算实例,1、换热器流体诱发振动的简介,在管壳式换热器中通常用设置折流板的方法，使壳程流体横向流过管束来改善传热。在规定的压力降范围内，最大程度地增大壳程流速。不仅强化了传热，还可减少管子表面上的污垢。 但随着流速的提高，又由于高强度材料的应用以及换热器尺寸朝大型化发展，增加了换热管的挠性。换热器振动与破坏的事故便越来越多。 早在二十世纪50年代，便有换热
2、器振动破坏的报道，但当时并未引起人们足够的重视。,1.1 换热器事故调查,后来随着核能技术的发展，由于核动力部门对设备的安全有着非常严格的要求，并考虑到巨额的设备与维修费用，因此对换热器的振动给予了特别的关注，据统计，1962年到1977年期间，在美国17个反应堆系统中就有蒸汽发生器、堆芯控制棒、燃料棒等因发生振动而导致系统停工或减产。,1969年美国原子能委员会反应堆和工艺部（USAEDRDT）对19个反应堆进行调查，发现其中9个反应堆一回路的换热器有振动。其它如英国安格赛核电站、韩国汉城核电站、日本东海村核电站，加拿大道格拉斯角核电站、意大利特里诺核电站、等也曾发生堆芯或管束振动的事故。仅
3、以英国安格赛核电站为例，由于锅炉炉管振动而停工，用了近三年的时间才得以恢复，每天损失为10万英镑。,1969年美国管壳式换热器制造商学会（TEMA）调查其下属单位时发现，由11个公司制造的42台换热器中，发生振动的有24台。 1972年美国传热研究公司（HTRI）在所调查的66台换热器中，发生振动的竟高达54台。,在电厂、石油化工厂、炼油厂、烃加工厂中的换热器、船用废热锅炉的预热器等发生振动、泄漏破坏的事例也屡见不鲜。 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。,二十世纪60年代，已有较多学者从事换热器中
4、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。,1.2 换热器流体诱发振动的学术会议,由于受到许多国家的学者的重视与参与，此后国际性的专题学术会议接连不断。1972年在德国卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)召开了“流体诱发结构振动”会议。1973、1978、1983年相继在英国凯斯韦克（Keswick）召开“工业中的振动问题”会议与“原子能工厂中的振动”会议。历届压力容器技术会议（ICPVT）、反应堆技术中的结
5、构力学国际会议（SMIRT）、流体诱发振动与噪声（FIV+N）国际会议、从1987年开始每年都开的美国压力容器及管道（PVP）会议，都将换热器振动列为重要主题之一。,1.3 换热管振动破坏的形式,换热管振动破坏形式,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。,1、碰撞损伤,1.3 换热管振动破坏的形式,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0.40.7mm。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。,2、折流板切
6、割,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,1.3 换热管振动破坏的形式,3、管与管板处液漏,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,气体流过管束时，将引起壳程空腔中的气柱振荡而产生驻波。当驻波的频率与周期性的旋涡频率一致，便会激起声振动。这也是一种共振现象。声振动时，会产生令人难以忍受的强烈的噪声。过高的声压级还要损坏换热器的壳体。当声共振的频率与管子的固有
7、频率一致时，管子的振动加剧且很快遭到破坏。 飞机起飞时的分贝值大约在110-130； 高速的汽车可达到85分贝； 换热器有时可达到150分贝；,1.3 换热管振动破坏的形式,5声振动,1.4 振动实例,扬子石化公司钛冷凝器的失效： PAT装置12台钛冷凝器（1亿元），经过十年左右的运行，均发生了不同程度的泄露等失效形式。严重影响了化工厂生产和循环水系统的稳定运行。泄露还导致了冷凝器壳体、膨胀节、管板、循环水系统装备发生不应该发生的腐蚀与损坏。,若管壳式换热器中不设置折流板，壳程流体为轴向流过管束（a），设置折流板后，壳程流体在折流板之间为横向流过管束（b）。横向流中的管束的危害更大。,、流 体
8、进口； 管子； 、 流体出口,易受激振的部位,管子所有的各个部位都有被振坏的可能。而处于下述部位的管子更易受到流体激振而破坏。通过折流板缺口部位的管子的跨距，明显地要比通过中央部位的管子的跨距来得大。在前一种情况下，管子挠性大，管子的固有频率较低，振动的倾向更大。 在U形管换热器中，安置在外侧，愈靠近壳体的U形管1（右图）具有更低的固有频率，受流体激振的影响也更为明显。,外侧 形管； 内侧 形管；,易受激振的部位,小直径的壳程流体进出口接管，管束外围与壳体内壁之间的距离T过小图（a），一般设置改变流体流向的障碍物，如防冲挡板、密封条（见下图（b）等，但都会使局部处成为高流速区，很易激起附近管子
9、的振动。,壳体； 管子； 防冲挡板；接管； 管束外围周线,密封条； 管子,高流速区的管子,换热器中流体诱发的振动作为专门的学术研究领域，从形成、发展到逐渐成熟迄今已有近50年的历史。它的发展还得益于对飞机机翼的颤动以及悬索桥与烟囱的流振研究后所建立的基础。,1.4 国内外研究概况,自二十世纪60年代到70年代，对单相流体沿横向与轴向绕流管束时诱发的管子振动与声振动的研究，已取得相当大的进展。1977年契诺韦士（Chenoweth）发表的技术报告对此有全面的介绍与总结。 TEMA标准顺应工程界的要求，不失时机地于1978年将“流体诱发振动”部分作为推荐性的切实可行的方法予以颁布，使工程技术人员在
10、设计阶段便能注意避免换热器的振动。,1.4 国内外研究概况,从二十世纪80年代至今，换热器中流振的研究更趋深入与成熟。Paidoussis (1982)，Ziada等（1989），AuYang等（1991），Pettigrew等（1998），Weaver等（2000）在总结大量文献资料的基础上发表的高水平的综述。 陈水生（Chen）(1987)，Blevins(1990),Paidoussis(1998)，林宗虎等（2001）出版的专著，很好地反映了此一时期在流体弹性振动机理与数学模型、两相流诱发振动机理方面的研究、随机振动理论与模拟计算方法的应用以及基准参数与振动判据的拟定等许多方面所取得的
11、丰硕的成果。 经过多年实践的经验，修订后再版的TEMA标准已将有关“流体诱发振动”的内容列入正文成为规定性部分。,我国则是从二十世纪80年代中期开始进行换热器流振方面的研究，天津大学的聂清德先生、华南理工的钱颂文先生，在振动机理、振动特性及防振措施等方面都做了许多工作。管束振动作为附录也列入了国家标准“管壳式换热器”（主要是聂清德先生主持）。目前最新版本的国标正在修订阶段，还未定稿（天大的聂清德和谭蔚负责流体诱发振动部分）。,2、管束流体诱发振动产生的机理,在管壳式换热器的壳程中，单相或两相流体无论是沿管子轴向还是横向流过管束时，由流体流动产生的并作用于管子上的动态力，均会导致管子振动。至于管
12、子振动的机理，目前比较一致的观点有以下种：,这种振动起因于管子表面周期性脱落的旋涡所产生的周期性流体力。如果旋涡脱落频率与管子的固有频率一致，管子便会发生共振。处于横向流中的单根圆管，在管子表面上脱落的周期性旋涡，即通常所称的卡门旋涡。,一、漩涡脱落激振,而在管间距较小的管束中是否存在这种规律性的卡门旋涡，至今仍不十分清楚。但是某种周期性脱落的旋涡使管子发生共振的可能性是确实存在的，特别是在液流或高密度的气流中，周期性的作用力相当大，因此管子的振幅也比较大。 两相流体横向流过管束时，只有当体积含气率或空隙率小于时才会发生周期性的旋涡脱落激振。,在圆管的前半部，主流到达点时，流速变为零，此点称为
13、前驻点。按照伯努利方程，此点压力为最大。此后通道逐渐减小，流体为增速减压，边界层内的流体在顺压情况下向前流动。,旋涡脱落的原因,在圆管的后半部 ，从点开始， 通道逐渐增大， 流体为减速增 压。边界层内 的流体除受摩擦力作用外还受到与流动方向相反压力的作用，动能不断降低。在点之前，只有壁上的流体速度为零。在点之后如点，除壁上的流体速度为零外，近壁处的流体还发生停滞与倒流。,旋涡脱落的原因,线以下的 流体，在逆压作 用下将相邻的来 自上游的流体外 挤，使流体不再 贴着柱体表面流动，而是从柱体表面脱落，形成边界层分离的现象。点称分离点。由于线上下方两部分流体的旋转运动，尾流中将产生大量旋涡。,旋涡脱
14、落的原因,流体沿圆管绕流所形成的旋涡也与数有关。数小于时，流体贴着圆管表面流动，不发生边界层分离的现象，见下图（a）所示。,当时，层流边界层从圆管表面上分离，管后两侧产生一对稳定的旋涡，见图（）所示。,当时，边界层为层流，圆管背后的两侧交替而周期性地形成相反旋转方向的旋涡，并从管表面上脱落。在尾流中有规律顺序地交错排列成两行的旋涡，此即为通常所称的卡门涡街，见上图（c）所示。在上述数范围内，涡街为层流。需要指出的是，旋涡从管表面上的每一次脱落均会立即伴随着流型以及管表面上压力分布而变化，因此管表面上及尾流中的流体都会处于非稳定状态。,当150300时，边界层为层流，涡街则从层流过渡到湍流。 当
15、300 时，为亚临界区，边界层仍为层流，但随着数的增大，分离点将向后驻点移动，见圆管表面上的压力分布图中的曲线与所示，涡街为湍流。,当 3.5 时为过渡区，边界层由层流变为湍流。旋涡脱落是不规则的，卡门涡街消失，湍流的尾流变窄。 当 3.5 时为超临界区，湍流的卡门涡街重现。,边界层分离现象及其产生机理,C点压力最大,从单管表面脱落的旋涡频率可利用捷克物理学家斯特罗哈由实验得到的公式来计算:式中： 旋涡脱落频率，或单位时间产生的旋涡数，1/s；管外径，；斯特罗哈准数，无量纲，是Re数的函数。,（3）旋涡脱落频率,管束中的旋涡脱落频率计算式与式单管的漩涡脱落频率是相同的，但式单管中的v需改用管间
16、隙处的流速，斯特罗哈数也应按下图（陈延年根据声共振的数据得出的）中的数据选取 。,图 管束的数,Fiz-Hugh 提出的覆盖的节径比更大,Weaver 提出利用热线风速仪直接测量的流体周期性数据绘制,根据受迫振动理论,管子在共振时的振幅可按下式计算式中 脉动的升力系数； 第振型时管子的阻尼比；管子的第阶振型,（5）共振时的振幅,当流速从零开始升高时，从静止管子脱落的旋涡频率也增大，由漩涡脱落频率公式可知，其与流速成线性的关系。当旋涡脱落频率达到管子最低的固有频率时，管子开始沿升力方向共振，振幅剧增。在此后的一段流速范围内，尽管流速继续升高，旋涡脱落频率却不再增大而是变为等于振动管的固有频率，如同旋涡脱落频率被固有频率“捕获”一般。,（4）锁定区(Lock-in Region),
