管壳式换热器管束流致振动实例分析

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

流致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，迄今国内外的大型换热器因振动而导致破坏的实例屡见不鲜，破坏程度十分惊人，已经引起世界各国的普遍重视。目前，管壳式换热器管束的流致振动问题，已经成为换热器设计人员需要重点考虑的问题之一。现就流致振动机理进行初步探讨，并结合工程实践，基于HTRI软件，对设计过程中管束流致振动分析方法进行研究。

1 管壳式换热器管束流致振动机理

管壳式换热器内流体的运动十分复杂，有管束上的横向流、轴向流、旁通流等；管束两端的进出口有滞留区。各流路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的作用，极易产生振动。当流致振动的频率与换热器的固有频率接近时，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。

1.1 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，致使圆管上的压力分布也呈周期性变化。圆管两侧的静压不同，产生一个垂直于流动方向的升力，其大小与方向随漩涡的脱落而不断变化。正是由于这种升力的交替变化，导致圆管与流体流动方向垂直的振动。同样，由于漩涡的脱落也使流动阻力发生交替性变化，从而导致圆管在流体流动方向上的振动。圆管的振动频率与漩涡的脱落频率有关，但理论上求解卡门漩涡频率相当困难，工程实际中一般用Strouhal数来确定卡门漩涡的频率。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。

1.2 紊流抖振

紊流抖振是一个由随机力作用的衰减振动，管子仅在其固有频率附近产生响应，振动的峰值出现在脉动力的主频率与管子的固有频率重合之处。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。紊流抖振不是导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。

1.3 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，这种流体力与弹性位移的相互作用就叫做流体弹性不稳定性，它一般是在已有其他机理诱发起管子运动的情况下产生的。其特点是，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，若阻尼不太大时，形成的振幅将一直增大到管子互相碰撞。且这种振动在流体速度减小到远低于初始速度时仍会持续。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。

1.4 声振动

当流体的激振频率接近于换热器内空气柱振动的固有频率时，就会在换热器内产生声共鸣。其产生的原因是，在一定条件下，卡门漩涡的漩涡脱离会激起室壁之间的某阶驻波，这种驻波在管壳之间来回反射，不断向外传播能量，卡门漩涡却不断输入能量。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，气室内可能产生强烈的声学共振和噪音。当壳程流体是液体时，由于液体的音速极高，这种振动不会产生。

2 基于HTRI的管束振动分析

在国标GB151附录E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，标准中所附方法简单，但手工计算时计算量比较大，并且需要查阅很多图表，这样造成了计算的复杂性，其准确性也很难把握，换热器各个部位的流场情况也很难预测，导致手工计算十分困难。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ASPEN TECH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HTRI6.0软件的Xist和Xvib模块对管壳式换热器管束流致振动进行分析和研究。

2.1 HTRI-Xist

HTRI-Xist可用于管壳式换热器的设计、性能分析和模拟计算，在进行热工水力计算的同时，用多种实用的方法对换热器各关键部位进行全面的振动计算。Xist程序根据流致振动检查逻辑流程(如图1和图2所示)，对换热器中易于诱发振动的部位进行传热管的固有频率和各种振动机理的激振频率以及临界流速等有关数据进行计算。

图1 管束振动检查逻辑流程图

图2 管束声振动检查逻辑流程图

在逻辑流程图1中，r1和r2检查流体弹性不稳定性激振情况，r3、r4和r5检查流体卡门漩涡情况，在HTRI 5.0及之前的版本中，Xist要进行紊流抖振的校核，包括紊流抖振频率与管束固有频率比值和紊流抖振振幅与传热管直径比值两步骤，而在HTRI6.0版本中，认为紊流抖振不是导致管子破坏的主要原因，因此已经不将紊流抖振列为检查内容，但是在图2声振动的检查过程中会进行计算并分析。

Xist的振动分析报告(Reports/Vibration)将计算结果主要分为换热器进口、中间和出口区域三个部分，主要数据包括：

(1)管束跨距；

(2)管束跨距与TEMA允许最大无支撑长度的比值(TEMA允许最大无支撑长度由软件根据传热管材料自动获取)；

(3)传热管第一阶固有频率(最小值用+表示)；

(4)壳体声频(最小值用+表示)；

(5)窗口平行流，管束错流和管束与壳体之间C流的流速；

(6)流体弹性不稳定性激振的检查结果——平均错流或B流和临界错流流速，作为对比，折流板边缘处的错流流速也给出；

(7)声振动检查结果——卡门漩涡和紊流抖振比率(与传热管固有频率的比值)；

(8)单管振动校核——卡门漩涡比率，平行流振幅，错流振幅，管间隙和错流ρv2；

(9)管束进出口振动分析(指壳侧流体，基于传热管第一阶固有频率)；

(10)壳侧进出口相关参数。

Xist的分析基于经验公式和实验数据，预测结果较为保守。Xist振动分析报告显示无流致振动问题时可认为该方案振动分析通过，当显示有潜在的流体弹性不稳定性和卡门漩涡振动问题时，会在振动分析报告中将可能产生振动的数据项用星号注以标记，并在Runtime Messages中给出报警信息，此时应根据报警情况更改设计重新计算，或者采用Xvib模块对危险区域单根传热管进行更为精确的计算和分析。

2.2 HTRI-Xvib

HTRI-Xvib程序为有限元结构分析软件，计算引擎是由Ontario Hydro基于该公司H3DMAP程序的流致振动模型而开发的。Xvib的主要功能和特点有如下几方面：

(1)进行换热器管束中单根传热管的流致振动分析；

(2)应用三维结构有限元分析方法计算传热管固有频率；

(3)可灵活地设定支撑位置和支撑类型；

(4)可用于分析直管和U形管(跨数可大于100)；

(5)评估流体弹性不稳定性激振和卡门漩涡流致振动情况；

(6)可计算高阶模态并给出相关计算结果和振幅图。

在Xist/Drawings/Tube layout中，右键点击管束区域，点击Show Xvib Velocity States，将危险区域的管束分为三种颜色——黄色、红色和橙色，分别表示将管束进口流速、壳体进口流速和管束出口流速导入Xvib进行该传热管的振动分析。

右键点击Tube layout中需要进行分析的传热管，点击Create Xvib Case for Select Tube，将Xist中该传热管相关的热工数据、结构数据和流速数据十分方便地导入到Xvib计算文件中，在HTRI5.0及之前的版本中，此处只可以导入热工数据和结构数据，而各个跨距的流速数据需要用户自行去Xist中提取输入，非常繁琐，HTRI6.0的这项改进，使得应用Xvib进行管束振动分析更为便捷。用户也可以直接打开Xvib模块，自行输入所需参数进行分析，程序运行逻辑如图3所示。

图3 Xvib程序逻辑流程图

Xvib计算报告给出各阶固有频率、间隙流速与临界间隙流速的比值、最大卡门漩涡振幅及不同模态下的振幅图等。HTRI公司认为，间隙流速与临界间隙流速的比值小于1，可认为无流体弹性不稳定性激振问题；最大卡门漩涡振幅小于50%的管间隙可认为无卡门漩涡激振问题，如超出以上判定准则，可根据报告所示位置进行设计方案的调整并重新计算。

3 计算实例

3.1 Xist设计及分析

表1 某管壳式换热器工艺设计参数

表1为某换热器设计输入参数，换热器为BFU形式，其结构参数设计为：壳体内径1 547 mm；换热管材料为TP304L，尺寸为φ19.05×1.24 mm，管长7 578 mm；折流板为双弓形，折流板缺口25%，折流板间距360 mm，进口折流板间距为812 mm；壳程进口设有防冲板。Xist计算结束后，在Runtime Messages中有如下报警信息：

Shell entrance velocity exceeds critical velocity，indicating a probability of fluidelastic instability and flow-induced vibration damage.If present, fluidelastic instability can lead to large amplitude vibration and tube damage.

在振动分析报告中，壳侧进口流速标记星号，表明该流速已经超过了80%的临界流速，可能存在流体弹性不稳定性振动问题。为了解决该问题，将进口折流板间距改为800 mm，运行软件后报警消除，表明修改方案是可以接受的。

图4 壳侧与管束进口流速示意图

3.2 Xivb分析方法

如图4所示，壳侧流速为壳体和防冲板之间的流速，而真正对管束振动起主要作用的是管束进口流速，笔者认为，Xist用壳侧流速与临界流速比值进行评判过于保守，因此用Xvib对进口折流板间距为812 mm的方案进行详细的分析。右键点击Xist/Drawings/Tube layout中红色标记传热管，生成Xvib文件并运行，计算结果如表2所示。表2中间隙流速与临界流速比值和最大卡门漩涡振幅均小于2.2节中所述判定准则，实例分析表明，Xist的分析结果偏保守，该设计方案无需调整进口折流板间距也是可以接受的。在Graphs/Tube Displacement中可以看到不同模态下的传热管各个位置的振幅，如图5所示。

表2 管束振动情况采用Xivb法的计算结果

图5 不同模态下传热管各个位置的振幅示意图

4 结 语

基于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。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动分析，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。

参考文献：

[1]陈绍元. 管壳式换热器管子振动分析[J]. 石油化工设计，1997，14(2):23～31.

[2]程林. 换热器内流体诱导振动[M]. 北京：科学出版社，2001.