试析管式换热器振动分析和预防

张颖 齐增杰 赵慧玲

摘 要：目前，在石化领域中间壁式传热型管壳式换热器备受大众关注，通常被应用在真空至超高压，低温上升至高温，且市场占有率达到了65%。当石化装置规模迅速扩大，随之管壳式换热器顺应市场需求规格也不断变大，因此换热器管束振动引发的换热设施受损问题层出不穷，不光导致经济效益下滑，同时也埋下了潜在的安全风险。基于此，换热器设计中的振动解析与防振设计备受设计技术员的重点关注。

关键词：管式换热器;振动;分析;预防

通过实践证明了管壳式换热器管束振动基本原理与判断依据，随即提议了预防管束振动产生多样化策略。并且利用换热器核算軟件HTRI振动解析板块，针对某浆料预热器实施了振动模拟解析。经过了设计数据调节，最终可在设计时段完成预防振动产生。

一、分析管束形成振动的基本原理与判断依据

通过实践证实引发管束振动的诱因为垂直于管束横向流引发振动。当下达成共识形成振动的基本原理为卡门旋涡、紊流抖动、流体弹性不平稳与声共振。而引发管束振动起因非常繁杂，排除上述基本原理行业专家给出了射流不平稳与转换、两相流静压脉动、尾流摆动等，基于此，在设计过程中，无法针对引发振动的基本原理给出精准的研判。

二、降低管式换热器振动预防策略

（一）提升换热管固有频率

按照换热管固有频率核算解析，换热管固有频率与管束支撑跨距平方成反比联系，所以降低跨距为最直接的方式，且利用弹性模量较强的换热管材料也能提升固有频率，毕竟换热管材料选用依据管程流体物性来决定，所以设计中无法利用替换材料完成预防振动。针对上述对比解析得出结论，缩小跨距是提高换热管固有频率最佳方式。然而，在设计管壳式换热器中，降低跨距通常利用下述方式：第一，折流板之间距离缩小;第二，选用NTIW型换热管排列模式，在窗口区域无管设置，从而使折流板全部撑起了换热管，然而，此方式缩减了分布管区间，势必增加了壳程直径，从而提升了加工费用投入。第三，在U型管区域、折流板相互间及其壳程进口与出口位置添加支撑。

（二）提升临界与降低壳程横流速率

第一，提升临界横流速率最直接方式为提升换热管固有频率。第二，当换热管排序固定状况下，提升临界横流速率需利用提高节径比S/do完成，常规操作为提升换热管之间的距离，此时壳程横流速率一并降低。然而，提升壳体直径方式，实际上却提升了费用投入。第三，临界横流速率会因转换了换热管排列模式产生影响。通常操作下，临界横流速率60°布管方法是最大数值。第四，降低壳程流量，双壳程F型换热器投入应用，而J21壳程为首选冷凝器。第五，增设壳程流体流通面积，可借助双弓形或多弓形折流板，亦或窗口区间无设立布管。

（三）其它预防振动策略

第一，在壳程进口或出口设立防冲挡板，增设壳程接管规格，利用环形蒸汽入口，增添导流装置等方法，减少蒸汽对管束撞击，方才能预防振动发生。第二，设立防冲挡板过程中，相关原料在挡板影响下流到挡板边角，造成紧贴挡板周围管束遭受原料影响非常大，极易形成振动问题。因此，撤销防冲管，之后提升部分空心或实心管束设立在原料进口，进一步缓解原料对于换热管撞击，减轻振动。第三，设立纵向隔板在管束中，最大程度减轻声振动。

三、HTRI换热器核算流程具体使用

首先，预测管束振动是极为繁杂的流程，需遵照振动数据代入判定公式来实现人为核算，无法顺应设计相关需求。因此，人为核算已被精准换热器核算软件所替换，并产生了积极的影响。然而，HTRI换热器核算软件是由美国传质及其传热协会研发，将振动解析板块植入软件中，可迅速预算出振动状况，更有利于设计人员科学制定下一步计划，减少振动原因干扰，研发出平稳性高的换热器。

接下来主要针对苯二甲酸工厂某浆料预热器设计举例，深入解析减少振动具体策略。毕竟浆料压力较大，同时需清洗，由于浆料按照管程，蒸汽按照壳程。且蒸汽量极大，优选了J21型换热器。而换热管优选了φ19 mm，排列角为30°，管中心间距为25mm，折流板距离550mm，单弓形折流板，且缺口保持37%，而防冲板设立在壳程入口。通过初期核算，换热器直径达到了1.1m，长度12m。高效换热面积是773m。

然而，HTRI运转数据显示，第一，壳程流速临界的入口与出口流速超标，第二，管束临界流速入口80%超标，第三，支撑跨距不设置在出口。振动警告在振动报告中被标明的非常清楚。紧接着对换热器设计数据实施微调，而采用不相同方案完成预防换热器振动效果，当中缩减折流板距离为最高效办法。

而在HTRI软件发出警告时，只单纯表明换热器出现振动的可能性，无法完全认定会发生振动现象，则要通过大量数据核算来明确。但HTRI软件只解析了单根管振动板块，假设换热管束划分为三个极易出现振动区间，针对其中某管道采取了单根管振动解析，且此管道内无振动现象出现，最终可推算出整体换热器无振动产生的结论。

针对案例中浆料采取预热器振动解析，率先把折流板距离降低到500mm，致使出口不具备支撑跨距，且在准许最大数值范畴内，结果壳程入口流标超标警示无法消除。接下来不调节设计数据，需对极易形成振动区间的单根管作出详尽的振动解析。最终振动判断数据为：Gap Velocity/Critical Gap Velocity< 1，且Max Vortex Shedding Ampltude <换热管净距一半，即为3mm。

此时，需明确：HTRI具体振动分析结论与GB/T 151-2014判断数据不相同，因此，在设计中需尽全力利用不同方案来减少振动警示。然而，在应用不同方案之后，依旧无法获得理想效果或防振动投入较大，最终方才可经过具体振动解析来明确振动状况。

总结

总而言之，换热器振动基本原理非常繁琐，其与换热器管体原料、管束排序方法、管间距、折流板之间距离、壳侧流体性质与流动状况等息息相关。因此，汇总分析了引发管束振动的基本原理，更有利于掌控不同振动方式干扰原因，随即给出不同防振策略。不仅如此，可利用换热器软件HTRI来核算振动解析板块，针对某工厂中预热器实施振动模拟解析，利用调节设计数据方案，可在设计时段预防振动的产生。基于此，设计工作人员需重点关注换热器振动解析，充分了解引发管束振动的基本原理，以此为根本探寻引发振动起因与缓解振动策略。此外，需重视设施制作费用的投入，率先考虑性价比高的预防振动策略。

参考文献：

[1]周浩楠，潘建华.管壳式换热器管束振动失效研究[J].机械工程师，2020，（7）.

[2]邹国信.管壳式换热器换热管稳定性问题研究[J].现代制造技术与装备，2019，（6）.

[3]李进一.釜式重沸器U形管束优化设计[J].管道技术与设备.2020，（2）.