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1、第卷第期 年月 振动 、 测试与诊断 , 、 管壳式换热器管束振动与防范 吴声仓鸟 南 京化工 公司化机厂南京 , 。 摘要 在化工 厂中 , 管壳式换热器使用十分普遍 , 换热器管束振动是经常发生 的 。本文根 据 有关 文献 以及从事换热器设计方面 的经验 , 着重从理论上探讨了在换热器 设计中做到防范管束振 动 。 文中 根据 “振动是由壳程流体所 引起 ” 这一理论提出防范管束振动主要受控于两个比值旋涡分离 频 率了和紊流抖振频率 。分别与管子 固有频率 了的比值与 。 范围的观 点 。 希望这一观点 对于从事换热器设计的工 程技术人员有所裨益 。 一 、 概述 管式换热器管束振动主要
2、是由壳程流体流动所 引起 , 而管程流体流动的影响可忽略不计 , 这一点已勿庸置疑 。 但 与换热器几何尺寸有关的流体流动引起振动即所谓 “ 诱 导振 动 ” 的机理是什么 , 这一问题的复杂性现今技术水平尚难以作出精确的回答 。 本 文 就 现有的技术对换热器管束的振动作一基本的探讨 , 以提醒设计者在换热器的设计中尽量减少 振动的可能性 。 应该说 , 从总体上讲这仍是一种定性分析 , 但这种分析为设计中尽量减少振 动的可能性指 出了方 向 。 二 、 振动机理及分析 换热器的管束振动形式有两种 , 一种是由流体流动激发的管束横向振动 , 另一种是流体 引起的声振动 。 分析流体引起振动的
3、基本理论基础是卡曼旋涡分离理论和紊流抖振理论“ 。 卡受旋涡分离理论 根据卡曼旋涡分离理论 , 流体流过单个圆柱或许多平行的圆柱体时 , 圆柱体后面的流体 会因为分离而产生旋涡见图 。 这种分离旋涡连续地对于稳定流动周 期地 出现 。 旋涡分离频率可用下式计算 , 犷 一万 “ 本文于年月 日收到 , 年月日收到修改稿 。 一 一 一 一 第 期吴声创 管壳式换热器管束振 动与防范 式 中 , 。 参考横流速度 斯特罗哈数 换热管外径 斯特罗哈数是一个与换热管排列形式和列管节径比管中心距尸与管外径 。之比 有 关的参数 , 见 图 。 流流向排列角角 一一 乒 一一令 一一八 一一 寒名 叼
4、象曾跳黛森 图流体流过圆柱产生的旋涡图斯特罗哈数 紊流抖振理论 紊流抖振理论认为雷诺数尸大于一定值时 , 由于流体受阻而产生 的紊 流可能引起紊流 抖振 。 抖振频率与流体流速有着密切的关系 。 当壳程流体为气体时 , 抖振频率按下式计算 厂 。 、 八。,仁们 一 , 了一二户下一 屯一二尸 , 十乙己 工 一 、 工 式中 厂 皿 纵 、 ,。 参考横流速度 二 尸 , 。 横向管间距与管外径比 已 尸 。 纵向管间距与管外径之比 横向管间距及流向如图 。 又又又夕 闷户 厂厂厂 八八 入入入 川川 卜卜川川卜厂厂 一一弋弋夕一一州贬贬夕一一艾艾 阵阵阵 , 洲从 一一 少少少少 谬 飞飞
5、一川川以川川 图纵 、 横向管间距及流向示意图 从以上两种理论可看出 , 无论是卡曼旋涡频率还是紊流抖振频率 , 在管子排列形式和管子 节径比一定时 , 均与流体速度有着直接关系 。 可见 , 横向流动速度是引起横向振动的关键参数 然而 , 流体速度是流体诱导振动参数中最重要和最不可预测的参数之一 。 在换 热器 振动 、 测试与诊断年第 期 壳程中流体的速度场是一个复杂的 “ 世界 ” 。 因此 , 在精确计算局部流速的方法开发之前 , 只能采用基于经验的平均横流速度的概念 。 实际上 , 在横流速度较低的情况 , 由于流体流动比较稳定 , 旋涡分离和紊流抖振而产生 的激振力的干扰很小 ,
6、即使发生低频共 振 , 在足够的振动阻尼作用下 , 振幅也不会很大 , 从 图中可以清楚地看出这一点 。 随着横流速度的升 高 , 不但干扰频率升高 , 而且干扰力强度迅速增大 。 文中指 出 “管跨的临界流动速度是可 引起管跨不可接受的大振幅振动的最小横流速度 ” 。 不言而喻 , 低于这个速度大幅度振动将不会发生 。 文【给出了临界流动速度的计算方法 犷 。 。 式中 一 一表 中的值 , , 一阶固有频率 , 管子外径 裹管排列方式 、 流体弹性参数 及速度系数 。 一豁一 ” ” 。一 三 角形 。 。 一尸 。 一 己 丁 乌 工 “诀 、 。 。一 转角三 角形 。 一 一 一 一
7、 一一 。 。 正方形 “ 。一 , 转 角正方形 “ 。 , 会 一“ 一 表中 尸 管间距 , 流体弹性参数 式中 附 。占 一一 户 了若 一 。 相应位置的壳程平均温度下的壳程流体密度 占 在无支承跨距 中总的对数衰减率 班 。 单位长度管的有效重量 综上所述 , 当流体横流速度达临界值时就有可能发生大幅度振动 , 振动中共振才是最危险的 。 大幅度振动或者说横流速度达 到临界状态是危险共 振的必要条件 , 面我们就来看看临界状态下的共振条件 。 首先 , 我们假定壳程流体横流速度已达到临界 状 态 , 即厂 二 犷 。, 入和式得 然而 , 在这些大幅度 但不是充分条件 。 下 则以
8、式分别代 , 、 、尹、了 , 产 二 、了 几 、 、 第期吴声仓鸟管壳式换热器管束振动与防范 。 ,。二 一 将 、 两式两 边同时 除以 。 矛 “ 一 会 。 , , 得 、 , 王 。”, 一 会 , , , 和 , 分别为临界状态时旋涡分离频率和紊流抖振频率与管子一阶固有频率的比值它 们是非常重要的无量纲特性参数 。 当或 近似等于时 , 这就说明横流速度达到临界值时 的旋涡分离频率或紊流抖振频率与换 热器管的一阶固有频率相偶合 , 这时极有可能发生共振 前面已说过 , 在临界状态 流体有很强的激振力迫使换热管振动 , 因此 , 此时的共振是十分危险 的 。 我们必须 给和 ,。确
9、定一个许可 的范围 , 在这个范围内换热管的振动将是安全 的 。 图中横座标为激振频率与固有频率之 比 , 纵坐标为振幅之 比 。 当激振力为静态不变力 六亡曰甘口 乐东东 一 时 , 振幅即 为静挠 度 。 当 。 大于零小 于时 , 振幅办是 增 加的当 。 叭等于 时 , 在没有阻尼的情况 下趋于无穷大当 。 叭时是下降的 , 不难看出 , 在 。汀叭 范围 内振幅很大 。 因此 , 在 蒸汽 透平叶片的 振 动 安 全 性 校 核 中 把 。,。 二 定义为共振区 “, 这个区域是应该 避开 的 。 考虑到换热管管束振动的复杂性 , 这个 区域应适当放大 。 文献【把 “ 卡曼旋涡频
10、率与 管子一阶固有频率之比大于 ”作为可能发生管 束振动的判别依 据 , 但作为发生危险共振的条件 , 这种规定过于保守 。 从图中可以看到 , 当 。川。 时 , 振幅值甚 至减少到静态挠 度 厅厅刀刀刀 厂厂日日 色 、 王王 汇汇任任 一一玉动 鱼鱼二 。 、 石石石石 一一鲁 一。, 、 里里 至至 汉汉只只 、 口口日日 硒硒硒硒 呈呈 , , 暇暇二二二二二 巨巨招 哑之 之眨 眨笠笠 气气饭 饭饭饭饭 匕匕匕匕澄澄 ,一一又 又 双双 月月团 团厂厂梢梢陇陇日日门门 四四四四四四四四刃刃刃 口口口巨巨巨巨巨巨巨口口困困 口 图 。 频率比与振幅比的关系 。 的二分之一以下 , 显
11、然没有什么危险性 。 当然 , 当上述比值较大时 , 有可能产生高阶频 率共振 , 但高频振动振幅很小 , 危险性不大 。 因此本文建议将 , ,。 作为临界状态时换热管有可能发生危险共振的判别条件 。 因而在进行列管式换热器 的振 动 计算时 , 可首先计算出和值 。 如和均不在一范围内 , 则可以说 即使壳程横流速度达黔临界值 , 该换热器也不会发生危险的管束共振 。 如经计算和 , 不 符合要求 , 可再行计算横流速度犷 , 看是否达到临界值 。 文献中提出的临界横流速度计算公式与式在形式上有所不同 , 但实质上也大同 小异 。 主要区别在于系数均用 。 “ ”表示 , 。 则 由节径比
12、 尸 。 和列管排列方式从图 上查 取 。 综上所述 , 我们可以给出壳程为气体时的管束在临界状态 下发生共振的条件为 或 , 一 厂厂 。 临界速度 。 下面举一实例加以说明 一台型号为工 一一一一 的固定管板换热器 , 已知参 数如表 。 振动 、 测试与诊断 年第期 表 。型换热器的特性数据 一一一一 ,吮侧 ,口门 、 一 一 介夔 士少性 数据 咒 皿 壳程 介质 工作压力 平均温 度 。 密度 水 。 乙烯 气体 。 换热管外径 。 , 间距 单位长管子的有效重量牙 。 列管按正三角形排列 , 尸 , 尸 , 尸 , , 并且取对数衰减率占二 求斯特罗哈数又 由 。 查图得 , 求
13、临界速度系数 流体弹性参数 由表得 一嘿聋互 一 望奇 黯刹 一 丝 奇一 。一 , 求临界状态时旋祸分离频率与管子 固有频率比值 , 二 , 二 求临界状态时紊流抖振频率与 , 的比值 ,。,。 , 二 。一寺 , “ 其中 , 尸 , 二 , 尸 。 。 。 , 二、 之 、 则 八 ” 几万又万百 ” ”火土一 万歹少 十 匕 ” 。 可见和 ,。均远 大于 , , 因此结论是 此换热器 , 即使在横流速度达到临界值时也不会产生危险的共 振 。 应当说 明的是 , 本计算中所用 的主要参数来 自文献中的例题 , 但文献例题中的结论 值得商榷 。 它仅对管子是否可能产生 “ 振动 ” 作出
14、判断 , 意义似乎不大 。 如用文献 及本 文 的观点判断应是 壳程进 出口处有可能产生大幅度振动 , 但不会产生危险的共振 。 折流板板间管束不会产生大幅度振动 。 这种判断 与文献 中例题的结论是基本一致的 。 换热器管束振动中 , 除了机械性振动以外 , 有时还会发生声共振 。 鉴于本文的主要任 务 , 这里不再详述 。 三 、 共振的危害及防范 换热器管束的大幅度振动 , 特别是临界状态时的危险共振会造成严重后果 。 管子之间的 第期 吴声鸽管壳式换热器管束振动与防范 碰撞 , 管子与壳体之间的碰撞 , 管子与折流板孔边缘的摩擦 , 均可造成管壁的严重损伤 , 直至破 坏 。 胀接的换
15、热管 , 由于振动会产生松动 。 尤其在胀薄段与管本体段交界线处会产生严重的应 力集 中 。 如材料在应力场中本来就有缺陷 , 再加上可能的间隙腐蚀 , 则振动会轻而易举地在 此处造成破坏 。 因此 , 在换热器的工作中 , 天幅度振动 , 特别是临界时 的共振是不允许 的 。 我们必须一开始就在换热器的设计 中就考虑这个问题 。 以上关于共振条件的论述 , 使我们预测和防范可能的共振有了初步的 , 然而 却是比较明 确的方向 。 我们设计的换热器必须符合下列两条件之一 即使达到临界横流速度也不会产生共振 。 各处的横流速度最 大也不会达到临界值 。 在可能条件下 , 条件应优先得以满足 。
16、而 为了达 到这一点 , 我们可 以从消除共振条件 入手 。 如经计算 , 或 。 不符合要求 , 我们可以考虑调整 , 值和值 。 从表中我们可以发现影响值的主要因素是管子的排列方式和流体弹性参数值 。 在 时 , 三角形 排列 值较大 , ” 排列则其次 , 而当时 , 。 排列值 较大 , 排列值几乎最小 。 从图中我们可以看到影响 , 值的因素是管子排列方式和节径比 尸 。 。 根据设 计规 定 , 一般情况下尸 。值变化较小 。 一 , 所以从改变排列方式来调整 , 值 。 图中表 明 , 在 。较 小 时 , 排列 , 最 小 , 排列 最大 。 因此 我 们在调整 和 , 值时应
17、综合考虑 。 当调整 , 和值有困难时 , 可考虑调整值 。 从式中可以看到 , 影响 值的因素主要 是和值 。 也有影响 , 将密度较小的气体作为壳程流体对于提高 , 值和减小值 鼻 有益处的 。 。与 值成平方关系 , 不得已时采用增加 。或减少 的办法来调整 。 值与许多因素 有关 , 应经精确计算来确定 。 如经以上调整 , 仍难以使或 。 避开共 振区 。 , 那么可考虑破坏第二条 共振条件 , 即厂 犷 。 提高 。 就可以提高犷 。, 从而使实际横流速度厂难以达到厂 。 值 , 因 而避免大幅度振动的发生 。 提高管子固有频率 , 的有效途径是减少换热管的支撑 跨 距 , 当然还有其它 一 些措 施 , 但会带来其它副作用的办法不建议使用 , 然而不得己者除外 。 参考文献 兰州石 油机械研究所 , 化工部第六设计院 , 燕山石化总公司设计院钢制管壳式换热器设计规定 版化学工业出版社 , 美国管式换热器制造商协会标准第六版化工部设备设计技术中心出版 , 一匆钢制管壳式换热器 。 美国管式换热器制造商协会 。 标准第七版化工部第二设计院译 。 化学工业部设备 设计技术中心出版 , 日利茨基 汽轮机零件的结构与强度计算中译本中国工 业出版社 ,
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