换热器管束震动研究及设计探析

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1、换热器管束震动研究及设计探析摘要：本文针对流体横向载荷对管壳式换热器管束的影响，对横向载荷作用下管子破坏形式进行了分析，并提出了横向载荷作用下换热器管束设计的基本方法。关键词：薄壁管换热器横向载荷管束一、前言随着石油化工装置的大型化，处理量的增加，致使无论是换热器的直径还是进出口也随之增大，由横向载荷引起的破坏事故时有发生。据分析，横向载荷造成的机械破坏形式有：管子疲劳破坏、管子与壳体之间的碰撞破坏、折流板对管子的剪切、磨损破坏、管子与管板连接处松脱泄漏。因此在换热器设计中，尤其是薄壁管换热器设计，对上述情况均应加以重视。二、横向载荷对管束的影响在管壳式换热

2、器中，为强化传热，通常设置了折流板,壳体中的流体是以横向即垂直于管束轴线方向通过管束。流体横向载荷对换热器的影响主要是引起管束振动和强度破坏。1.管束振动流体横向载荷引起管束振动主要有阻尼弹性振动、共振两种形式。1.1阻尼稳定性理论阻尼稳定性理论或称能量理论，是假定流体横向流经管子所产生的激振力对管子所作的功，等于管子系统阻尼振动力衰减所消耗的能量。此时称之为振动的临界状态，对应的流体流速称为不稳定临界流速(uc)o当流体的流速大于UC时，即流体激振力所作的功大于管子阻尼能量，管子便会产生不稳定的弹性振动。为防止管束发生不稳定的弹性振动，换热器管束间流体流速

3、应小于不稳定临界流速，1.2共振理论当载荷扰动频率与管束的管束自振频率相等时，管束发生共振。对于一定结构的管束，自振频率f是固有不变的，在操作条件下，换热器不发生共振，即卡漫旋涡、紊流抖动、声学驻波频率应远离管束自振频率。2.强度理论强度理论是将管子视为受均布载荷的梁，管板端为固定端，支撑板端为简支端，由此可计算出梁(管子)的应力及挠度，以评定其是否安全。管子的最大应力Rr出现在固定端，最大剪应力S出现在简支端，两支撑板中间位置有最大挠度y。当RrW[R]、SW[S]=0.5[R]时，管子不发生强度破坏。当yW(T-do)时，不会发生管子碰撞。换热管束强度校

4、核包括管子弯曲、剪切及碰撞三种情况,但实际上管子很少发生弯曲破坏，通常在发生弯曲破坏前,管子与管板连接处已出现泄漏。因此工程应用时，可仅考虑剪切与碰撞两种破坏。3•换热器管束设计换热器管束在横向载荷作用下，管束所处的状态较为复杂，横向载荷造成的机械破坏形式也较多，有管子疲劳破坏，管子与管子、管子与壳体之间的碰撞破坏，折流板对管子的剪切磨损破坏，管子与管板连接处松脱泄漏等。管束振动是一复杂过程，在设计中应使换热器操作远离不稳定的弹性振动及共振区，同时保证在横向载荷作用下管子不发生强度破坏。因此，应对横向载荷计算作全面校核。流体横向激振力是诱发振动的主要原因，因

5、此设计上应尽量减小流体横向载荷，采用具有纵向流动的折流板，如4叶孔（梅花孔）折流板、折流杆等，减小管束诱发振动的可能性。提高管子的自振频率，如减小折流板间距，在折流板之间适当增加折流杆插件，U型管束尾部釆用插杆等也可有效地防止振动发生。换热管管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，同时控制换热管外径偏差，尽量采用上偏差，换热管外径偏差见下表：折流板和支持板最小厚度应符合下表：折流板和支持板管孔直径及偏差应符合下表，宜采用下偏差：另外在制造过程中要严格按照要求加工，保证折流板管孔精度，同时保证管孔和换热管外径的间隙控制在最小范围内，这也是防止管束由于剪切磨损破

6、坏的有效方法。参考文献［11GB151-1999钢制管壳式换热器［2］徐天华.新型管内插入物强化高粘度液体传热的研究：［硕士论文］.广州：华南理工大学，1984.［3］钱颂文，岑汉钊，江楠，马小明，方江敏编著.管束流体力学与传热.北京：石油化工出版社，2002.