曹　雄，駱　浩，潘國(guó)瑜（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，杭州　310000）

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管殼式換熱器振動(dòng)泄漏的分析及處理

曹雄，駱浩，潘國(guó)瑜
（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，杭州310000）

摘要根據(jù)某臺(tái)換熱器在水運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)的泄漏事件，進(jìn)行了振動(dòng)的理論分析及HTRI軟件計(jì)算。結(jié)果表明，主要原因是入口處流速過(guò)大，氣流分布不均；折流板間距、形式不合理；進(jìn)口處換熱管固有頻率較低，臨界速度偏小，從而引起振動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，引起泄漏。提出通過(guò)增加支撐板、重新進(jìn)行貼脹的措施進(jìn)行整改。認(rèn)為此類換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)采用雙管板或者圓盤形折流板結(jié)構(gòu)形式，縮短折流板間距，增加貼脹等。

關(guān)鍵詞換熱器；振動(dòng)；HTRI計(jì)算；處理方案

換熱設(shè)備中，管殼式換熱器是傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器，應(yīng)用最為廣泛，而管殼式換熱器中以固定管板換熱器最常見(jiàn)［1］。固定管板換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，成本低，但是管子和換熱管兩端固定在管板上，管板與管板之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而破壞。當(dāng)管殼流體沿垂直于管束軸線方向流過(guò)管束時(shí)，可能會(huì)誘發(fā)管子的振動(dòng)或者聲振動(dòng)。固定管板換熱器在試運(yùn)行過(guò)程中、吹掃過(guò)程中、運(yùn)行過(guò)程中由于振動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱器破壞的情況也時(shí)有發(fā)生。某新建項(xiàng)目1臺(tái)結(jié)晶器預(yù)冷凝器在水運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，最終出現(xiàn)換熱管管子泄漏事件，造成了一定的損失。

針對(duì)該事件進(jìn)行了深入地調(diào)查研究，對(duì)換熱器振動(dòng)進(jìn)行理論分析及HTRI軟件計(jì)算，提出改進(jìn)建議，以避免類似事件再次發(fā)生。

圖1 換熱器總體結(jié)構(gòu)Fig 1 General structure of the heat exchanger

1換熱器及泄漏現(xiàn)象

1.1結(jié)構(gòu)及參數(shù)

換熱器為結(jié)晶預(yù)冷凝器，用管程的循環(huán)水去冷卻殼程從結(jié)晶器蒸發(fā)并采用負(fù)壓抽進(jìn)來(lái)的水蒸汽。筒體內(nèi)徑1.5 m，換熱管規(guī)格φ25 mm×2 mm，長(zhǎng)度7.5 m，管間距32 mm，結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1～圖3。

殼程，物料蒸汽，進(jìn)口壓力-80 kPa（G），質(zhì)量流量2.2 kg/s，進(jìn)口溫度60℃，出口溫度46℃。管程：物料循環(huán)水，進(jìn)口壓力0.5 MPa（G），進(jìn)口溫度32℃，出口溫度42℃。管程數(shù)3，殼程數(shù)1。管程入/出口直徑DN450/DN450，殼程入口矩形孔700 mm× 500 mm（進(jìn)口分為左右2個(gè)DN800入口，每個(gè)入口又分為前后2個(gè)700 mm×500 mm矩形口進(jìn)入殼程），殼程出口DN200。入口、出口折流板間距均為1 m，中間折流板間距675 mm。折流板形式為單弓，左右缺邊，缺邊28.6％。

蒸汽由總管經(jīng)過(guò)三通分為2股分別從左右2個(gè)進(jìn)口進(jìn)入殼程，由于進(jìn)口管較大，為了避免筒體過(guò)大開孔、氣流直接沖刷換熱管，設(shè)計(jì)了這種“鼓包”的形式：殼程從頂部進(jìn)氣后分別從前后兩端側(cè)面進(jìn)入殼程，鼓包直徑較大為φ1.9 m，改善了設(shè)備受力情況，同時(shí)也均勻布置進(jìn)氣，降低流速。

1.2泄漏現(xiàn)象

換熱器在水運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，24 h內(nèi)出現(xiàn)大量管程循壞水向殼程泄漏的情況。

事后打開兩側(cè)封頭對(duì)殼程進(jìn)行加水加氣檢漏，發(fā)現(xiàn)共23根管子泄漏，裂紋在距離管頭10 mm左右，呈環(huán)向裂紋。而檢查管頭焊縫均無(wú)缺陷，內(nèi)徑缸表檢查換熱管也無(wú)明顯脹管痕跡。換熱管泄漏的實(shí)際部位如圖3和圖4，其中圖4中黑點(diǎn)位置為泄漏的換熱管。

圖2 換熱器殼程入口Fig 2 Shell side entrance of heat exchanger

圖3 換熱器折流板缺邊情況（俯視）Fig 3 Chipped edge conditions of heat exchanger baffle plate （planform）

圖4 管子實(shí)際泄漏部位Fig Actual leak part of pipe

2　原因分析

2.1振動(dòng)機(jī)理

振動(dòng)機(jī)理頗為復(fù)雜，主要分為以下幾種：

1）旋渦脫落。流體垂直管束流動(dòng)時(shí)，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度，會(huì)在背面產(chǎn)生周期性交替脫落的反對(duì)稱旋渦，即卡曼渦街［2］。旋渦交替產(chǎn)生和脫落使管子產(chǎn)生垂直于流向的周期性變化的激振力，導(dǎo)致振動(dòng)。當(dāng)其頻率接近管子固有頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。其頻率和管徑成反比、和流速成正比。

2）湍流抖振。湍流中脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)為紊流的振源。湍流流動(dòng)具有隨機(jī)速度擾動(dòng)，并且湍流旋渦圍繞一個(gè)中心主頻分布在一定寬度頻率范圍內(nèi)，當(dāng)流場(chǎng)中的中心主頻和管子的最低固有頻率相一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的能量，導(dǎo)致?lián)Q熱管共振和較高的振幅［3］。通常認(rèn)為當(dāng)管子間距較大，卡曼渦街影響較大，間距較小，影響渦流分離，湍流影響為主要因素。當(dāng)管子間距與管徑之比小于1.5時(shí)，渦流分離一般不會(huì)引起管子大振幅振動(dòng)［4］。該換熱器的管子間距之比為1.28。

3）流體彈性激振。當(dāng)流體橫向流過(guò)管束時(shí)，當(dāng)局部流速較大時(shí)，可能使管束中某一根管子偏離其原來(lái)的靜止位置，發(fā)生位移，從而破壞相鄰管子上的力平衡，使得相鄰管子受到波動(dòng)壓力的作用產(chǎn)生位移而處于振動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速大到一定程度，流體彈性力對(duì)于管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功，管子的振動(dòng)振幅將迅速增大，直至管子間相互碰撞而造成破壞［1］。

4）聲共鳴。當(dāng)氣體橫向流過(guò)平行排列的管束時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生既垂直于流動(dòng)方向的聲駐波，并在換熱器內(nèi)壁（即空腔）之間穿過(guò)管束來(lái)回反射。當(dāng)聲駐波和空腔的固有頻率或者卡曼渦街頻率一致時(shí)就會(huì)發(fā)生耦合，使流動(dòng)介質(zhì)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為聲壓波，從而引起換熱器振動(dòng)和噪聲。

2.2泄漏特點(diǎn)

仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，這23根管子及泄漏部位有以下幾大特點(diǎn)：

1）由圖3可以看出，所有換熱管可以分為3類管子，第1類兩端跨距為1 000 mm，中間跨距為1 350 mm；第2類兩端跨距為1 000 mm，中間跨距為675 mm；第3類為兩端跨距1 675 mm，中間跨距675 mm。泄漏的23根換熱管全部集中在第3類。無(wú)支撐跨距對(duì)于換熱器振動(dòng)是非常重要的參數(shù)。固有頻率和折流板跨距長(zhǎng)度平方成反比。第3類管子兩端管跨最大，中間支撐最少，固有頻率遠(yuǎn)低于其他兩類，最易引起振動(dòng)和破壞。

2）泄漏的23根換熱管全部集中前側(cè)入口處，后側(cè)入口處沒(méi)有1根換熱管泄漏。設(shè)計(jì)人員將換熱器入口設(shè)計(jì)成這種“鼓包”的形式，繼而將進(jìn)口分為前后2個(gè)入口，目的是改善結(jié)構(gòu)受力，均勻分布流體，降低流速。但是這種結(jié)構(gòu)配合采用單弓形折流板有一定的缺陷。進(jìn)口缺邊區(qū)域在前側(cè)，這樣后側(cè)進(jìn)口到第1塊折流板阻力將大于前側(cè)入口到第1塊折流板缺邊處的阻力。這樣會(huì)造成前后進(jìn)口氣流分布不均，前側(cè)入口分配的氣量多后側(cè)入口分配的氣量少，則側(cè)前入口流速大后側(cè)入口流速小，造成了局部速度過(guò)大而引起振動(dòng)破壞。

3）由圖4可以看出，換熱管泄漏主要集中在進(jìn)口的下半側(cè)，入口中心線以下泄漏管子數(shù)18根，占總泄漏管總數(shù)的78％。蒸汽從總進(jìn)口進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)內(nèi)筒分為2股，又經(jīng)過(guò)將近90°彎，沿與水平15°夾角方向進(jìn)入殼程。由于慣性的作用而造成氣流集中在進(jìn)口下半側(cè)。這種情況加劇了氣流分布不均，造成局部流速過(guò)大，引起進(jìn)口處換熱管振動(dòng)破壞。

4）泄漏的管子主要集中在剛?cè)肟谔幑苁砻娴膸着殴茏?。剛?cè)肟诘牧黧w流速較高，來(lái)不及充分?jǐn)U散，表面的管子首當(dāng)其沖，迎風(fēng)面較大，中間的管子由于前面管子的阻擋作用以及流體的充分?jǐn)U散，流速相對(duì)低些，不容易引起破壞。

5）裂紋都處于管頭10 mm處，現(xiàn)場(chǎng)管頭焊縫完好，內(nèi)徑缸表檢查無(wú)明顯脹管痕跡。這個(gè)可能是制造廠遺漏了脹管或脹管不達(dá)設(shè)計(jì)要求。在有振動(dòng)傾向的換熱器制造中，脹管對(duì)于換熱器防振有非常重要的作用。流體彈性不穩(wěn)定機(jī)理中，流體彈性力要克服換熱管的阻尼，脹管后管板能對(duì)換熱管起到固支的作用，增加管子的阻尼，提高管子的固有頻率。另一方面不脹管的管子引起振動(dòng)后，由于換熱管和管板之間還存在間隙，管板對(duì)其無(wú)支撐作用，而管頭是牢牢焊死的，靠近管頭部位也即焊縫熱影響區(qū)受到振動(dòng)引起的循環(huán)載荷的作用，由于焊縫熱影響比其他部位容易存在缺陷裂紋，在低應(yīng)力循環(huán)載荷的作用下更加容易破壞失效。所有泄漏點(diǎn)都為環(huán)向裂紋，并且均距離管頭10 mm左右，也進(jìn)一步佐證了這一點(diǎn)。

2.3HTRI振動(dòng)計(jì)算

將實(shí)際情況進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，采用HTRI軟件進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算，同時(shí)將折流板改為雙弓形折流板進(jìn)行對(duì)比分析。雙弓形折流板示意見(jiàn)圖5，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知，換熱器殼程平均橫流流速都較低，不足以引起振動(dòng)，平行速度都在合理的范圍內(nèi)。說(shuō)明換熱器直徑、長(zhǎng)度等總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得還是比較合理的。雙弓形折流板平均速度比單弓形的折流板低。入口的橫流速度都超過(guò)臨界橫流速度，引起入口的彈性不穩(wěn)定振動(dòng)。

圖5 雙弓形折流板Fig 5 Double bow baffle plate

表1 HTRI振動(dòng)計(jì)算結(jié)果Tab 1 Computed results of HTRI vibration

這里注意到雙弓形折流板換熱器前側(cè)和后側(cè)進(jìn)口處換熱管比單弓形折流板前側(cè)進(jìn)口處換熱管多了2個(gè)折流板支撐點(diǎn)，但是軟件計(jì)算的結(jié)果是一樣的。原因是軟件是按最危險(xiǎn)的換熱管來(lái)考慮的。雙弓形的折流板位于中間的換熱管固有頻率較低，兩側(cè)進(jìn)口處的換熱管固有頻率比中間的換熱管固有頻率要得高多，臨界速度也比中間的換熱管高很多。而入口處為換熱器振動(dòng)的高危區(qū)域，氣流分布最不均勻，流速最大，所以同樣塊數(shù)和間距的雙弓形折流板換熱器防振性能高于單弓形折流板換熱器。

2.4泄漏原因

通過(guò)上面的分析，此次事件主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)原因：

1）進(jìn)口處局部流速過(guò)大。通過(guò)理論分析，“鼓包”這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成進(jìn)氣氣流分布不均，所以進(jìn)氣口局部速度會(huì)比理論計(jì)算偏大，這是造成振動(dòng)的根本原因；

2）折流板間距、形式配合進(jìn)氣口的布置不合理，造成進(jìn)氣口附近換熱管固有頻率低，臨界橫流速度小，易造成振動(dòng)；

3）換熱管未按照?qǐng)D面要求進(jìn)行貼脹或者脹管不到位，以致管子的振動(dòng)阻尼降低，固有頻率降低，臨界速度降低，易造成振動(dòng)。同時(shí)也引起振動(dòng)破壞區(qū)域和焊縫熱影響區(qū)重合，易造成泄漏。

3處理方案及效果

查明所有滲漏換熱管，更換所有滲漏換熱管，重新按設(shè)計(jì)要求貼脹，對(duì)殼程重新做水壓試驗(yàn)。

在2個(gè)頂包對(duì)應(yīng)內(nèi)筒開孔500 mm×700 mm的方位開620 mm×800 mm孔，共4個(gè)孔，使得可以操作到內(nèi)筒內(nèi)的換熱管。抽取出問(wèn)題進(jìn)氣孔側(cè)的第7排～第26排，水平方向?yàn)榈?7排左起1～10根。制作2塊厚12 mm支撐板，從進(jìn)氣孔放入，并焊于筒體內(nèi)壁上，同時(shí)制作2塊水平加固板從另一側(cè)進(jìn)氣孔在隔板槽縫隙中水平插進(jìn)，把支撐板卡在中間，頭部點(diǎn)焊在一起。這樣再次形成1套支撐板組。在進(jìn)氣口邊緣，無(wú)法加撐加強(qiáng)條到的地方，人為盲堵附近一些的換熱管（空心圓為人為盲堵接管），此法也是確保萬(wàn)一的方法。見(jiàn)圖6。

圖6 增加支撐板Fig 6 Increase the support plate

換熱器經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)改造后，運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)行至今將近1年的時(shí)間里未再出現(xiàn)管程循環(huán)水向殼程泄漏的情況，說(shuō)明振動(dòng)得到了有效控制，改造的效果良好。

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)此次泄漏事件，進(jìn)行振動(dòng)的理論分析結(jié)合HTRI軟件計(jì)算，同時(shí)考慮實(shí)際改造運(yùn)行結(jié)果，得出較為準(zhǔn)確、可靠、重要的結(jié)論，能夠深入理解換熱器振動(dòng)產(chǎn)生的原因，對(duì)于今后換熱器防振設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

對(duì)今后類似設(shè)計(jì)的建議：

1）縮短無(wú)支撐跨距是防振最有效的辦法。這次整改中采用在入口處增加支撐也是根據(jù)這一理論做出的應(yīng)對(duì)措施。在保證殼程平均流速較為合理的范圍內(nèi)，盡量縮短無(wú)支撐跨距，有利于防振。

2）對(duì)于采用這種“鼓包”結(jié)構(gòu)的換熱器采用雙弓形、多弓形或者圓盤形折流板，并且入口或者出口處第1塊折流板應(yīng)為中間缺口，這樣同樣的折流板塊數(shù)和間距，入口附近換熱管會(huì)有較好的防振，中間的換熱管由于氣流的擴(kuò)散作用，以及前幾排管子的阻擋流速會(huì)比較平均振動(dòng)情況會(huì)好一些。

3）有振動(dòng)傾向的換熱器增加貼脹。

4）探索研究更加簡(jiǎn)單合理的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口是氣流分布最不均勻的部位，易造成振動(dòng)。研究合理的進(jìn)氣分布結(jié)構(gòu)，加速氣流的擴(kuò)散分布降低流速對(duì)于防振有重要的意義。

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中圖分類號(hào)TQ051.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼BDOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2016.01.017

收稿日期：2015-12-08