摘 要：针对管壳式换热器常见的振动破坏形式，阐述管壳式换热器管束流致振动的机理。基于HTRI软件，进行换热器振动分析，并介绍了常见的防振措施。
关键词：换热器；振动；机理；HTRI
1 前言
管壳式换热器由于其结构紧凑，体积小，换热能效高，制造成本低，便于维修等特点，是石油、化工、动力、食品和医药等行业广泛采用的一类换热设备。随着工业生产迅速发展和生产规模不断扩大，管壳式换热器趋于大型化，换热能力不断提高，适用范围越来越广泛，但与此同时，由于高流速、管束支撑间距增大等多因素，管壳式换热器的振动问题也越来越突出。换热器管束发生流体诱导振动，往往能造成换热器局部失效甚至整体报废，给工厂带来巨大的经济损失。据相关文献报道，在传热管内插入圆珠圆管等内件，采用新型的弹性管束代替传统管束等手段，可以诱导流体产生弹性振动，提高传热系数、强化传热、减少结垢，但实际生产中利用振动强化传热的案例较少，应当首先保证换热设备的正常操作，减弱或者消除振动的不良影响。因此，在管壳式换热器设计中，应充分考虑各种因素，其中包括管束振动分析。本文在分析换热器管束振动机理的基础上，结合工程实际，针对性地提出了预防措施。
2 振动机理研究进展
管壳式换热器内流体的运动十分复杂，流体的流速和方向不断地发生不规则的变化，使传热管处在不均匀的力场中，受到流体流动的各种激发力作用，极易产生振动。一般认为，换热器管束振动主要是由壳程内的横向流所诱发，管程流体流动诱发振动的可能性较小。振动产生的根本原因是，流致振动的频率与换热器的固有频率接近，此时换热器就会产生强烈的振动。流致振动的机理可归纳为以下几点：
2.1 卡门漩涡
当流体橫掠换热管时，如果流动雷诺数大到一定程度，在其两侧的下游交替发生漩涡，形成周期性的漩涡尾流，称为卡门漩涡。漩涡流致使圆管上的压力分布呈周期性变化。圆管两侧由于静压不同，会产生一个垂直于流动方向的升力，升力的交替变化，导致圆管沿流体流动方向垂直的振动。同样，漩涡的脱落也使流动阻力发生交替性变化，导致圆管在流体流动方向上的振动。漩涡脱落的频率为（Re值200～15000时）：
可以看出，当管径一定时，流速越大流体流致振动频率越大；当卡门漩涡频率接近或等于管子固有频率时，就会产生强烈的振动。
2.2 湍流抖振（紊流抖振）
当换热器内流体流动的雷诺数Re>4000时，流体出现湍流状态，使管道内流体产生脉动变化，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接近时，管子吸收能量并产生振动。紊流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。由紊流抖振而诱发的振动不很规律，较少导致大范围的共振响应。紊流抖振不是導致管子破坏的主要原因，而是产生流体弹性不稳定性激振的重要因素。
2.3 流体弹性不稳定性
换热器内密集的管束中，任何一根管子的运动都会改变周围的流场，流场的改变则使作用在管子上的流体发生相应的改变，从而进一步改变作用在管子上的流体力。流体速度一旦超过某一临界速度值并稍有增加时，振幅即有大幅度增加。由于管子位移急速增大，易导致换热器机械破坏，因此，流体弹性不稳定性对管束振动的影响最大。研究表明，流体速度较低时，振动可能由卡门漩涡或紊流抖振引起，而在速度较高区域，诱发振动主要是流体弹性不稳定性。
2.4 声振动
壳程流体是气体时，较容易产生声振动。当换热器中管束的流体处在漩涡脱离状态时，会引起管束振动，在管束的周围激起沿换热管径向传播的弹性波。这种驻波在管壳之间来回反射，形成一定的声学驻波和机械波，当卡门漩涡频率与声学驻波频率之比在0.8～1.2范围内时，可能产生强烈的声学共振和噪音。壳程流体是液体时，由于声波在液体中传播的波长较长，难以形成声学驻波，声振动基本不会产生。
2.5 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。
3 振动的破坏形式
基于振动机理分析可以看出，在流速较高区域如换热器进出口区、障碍区，或者无支撑间距较大区域，如U型管区、管板区、折流板区，是容易产生振动的区域。因此，常见换热器振动的破坏形式为：
3.1 撞击破坏
当管束的振幅较大时，将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，管壁磨损变薄，最终发生开裂。
3.2 挡板损伤和管子切割
折流板孔和管子之间一般存在径向间隙，管子的横向振动就会引起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，在不长的时间内将管子切开而发生局部失效。
3.3 应力疲劳实效
如果管子材料本身存在缺陷，或者由于腐蚀和磨损产生了裂纹等缺陷，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 接头泄露
管板是管壳式换热器中管程和壳程之间的唯一屏障，因此，管子与管板的连接接头是换热器中十分重要的结构和环节。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，都会造成接头泄漏。
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。
4 振动分析
在GB151附录C及TEMA标准中，均附有关于管束流致振动的计算公式及判定准则，但手工计算时计算量较大，目前国内外各设计院和工程公司均使用软件进行流致振动分析，国际上比较流行的计算程序有美国传质及传热协会开发的HTRI，及ASPENTECH公司的EDR（整合自己公司开发的B-JAC及收购的HTFS而成）。本文基于HTRI7.0软件的Xist与Xvib模块对管壳式换热器管束流致振动进行分析和研究。
利用HTRI软件可以很方便地进行管壳式换热器管束流致振动分析，其传热系数与压降模型基于大量实验数据，是符合TEMA标准的计算结果最为可靠的工具之一。HTRI-Xist能够在进行热工水力计算的同时，用多种实用的方法对换热器关键部位进行全面的振動分析，分析结果较为可靠，但偏于保守；HTRI-Xvib为三维有限元结构分析软件，可以分析多阶模态下单根传热管的流致振动情况，分析结果较HTRI-Xist更为精确。HTRI-Xist分析通不过的情况，可采用HTRI-Xvib进行更为精确的计算，从而判断是否能通过；此外，HTRI-Xvib还可以进行增加支撑条等其他管束支撑方案的流致振动分析。
5 常见的防振措施
减少振动的根本途径是使激振力频率尽量避开管子的固有频率。换热设备设计时，一般可采用以下防振措施：
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，尽量消除由外部引入的振源。
b.改变换热管的固有频率：①调整折流板间距；②改变换热管材料和壁厚；③在换热管外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条。
c.若预测到振动危险出现在靠近壳程进口处，可增大接管尺寸以降低进口处流速，或者设置防冲挡板、导流筒。
d.控制壳程流体流速：①改变或使用其他形式折流板，将壳程流体分割成两个或多个流道；②改变壳径；③调整管间距；④调整管束和外壳之间的间隙；⑤改变管束的排列方向。
6 换热器振动分析案例
以四川某煤化工项目变换装置蒸汽过热器为实例，进行防振设计。工艺参数见表6-1。
根据以往项目经验，换热器结构参数初步设定为：换热器形式BFU，壳体尺寸1800X4000mm，管径（OD）25mm，管间距32mm，换热管角度30º，折流板间距700mm，壳程进出口管径为DN200。HTRI运行后有多个警告信息，软件提示壳程和管程进出口流速都大于0.8倍临界流速，可能存在流体弹性不稳定性振动问题，需对换热器结构参数进行调整。
首先考虑增大管径以提高管子的惯性矩和刚性，管径改为32mm后，管束错流流速和临界流速明显降低，消除了多条警告信息，但换热器仍存在振动可能性。同时，管径增大导致管束减少，损失了较多的换热面积。将壳程直径提高到2000mm，能降低壳程介质的流速，同时补偿换热面积。其次，将管间距由常规的40mm改为44mm，减小错流流速，增加临界流速，从而减少了管束碰撞的可能性，也可降低换热器的制造成本。此时，HTRI依然提示壳程进出口流速超过临界流速，减小折流板间距等手段效果不明显，因此，考虑改变换热管角度和增加壳程进出口管径，将换热管排列角度改为60º，壳程进出口管径DN250，振动问题消除，换热器的压降和传热系数均满足要求。HTRI计算结果见表6-2，其中固有频率为一阶计算结果。
7 结语
若换热器在实际运行中出现振动问题，虽然可以通过更换换热管、捆扎管束、降低流量等手段减弱或消除振动，但对换热器性能和正常生产势必会产生不良影响。因此，需要在换热器设计时就充分考虑各种诱发振动的因素。目前关于换热管振动的预测方法和机理研究尚不完善，但借助HTRI等专业软件可以方便的进行换热器管束流致振动分析，一般能得到满意的效果。
