国建文

（山东齐旺达石油化工设计有限公司，山东淄博 255400）

关于列管式换热器管束振动与控制的探讨

国建文

（山东齐旺达石油化工设计有限公司，山东淄博 255400）

对影响列管式换热器管束振动的有关因素、主要原因进行了详细的阐述。为了延长列管式换热器的使用寿命，介绍了限制或防止管束振动的有关方法。

列管式换热器；管束振动；控制

1 管束振动的产生原因

列管工作散热器通过一定数量的折流板将管子支撑起来，其所形成的弹性连续梁既具有中间支点也存在固定的多界离散频率。在固有频率与诱导振动频率相同的情况下，共振就会出现。

1.1 由涡流脱落产生的管束振动

列管工作换热器在运行过程中，流体会横向掠过管子，当管子与液体重叠时，所产生的滞止点会出现在管子下面边缘，流体压力会替代之前的流体动力，而原来的流体压力则会与新产生的流体压力相叠加，瞬间造成较大的压力。流体在滞止点周围作环绕运动的过程中，最终会出现在管子宽度最大的区域，原有的边界层则会形成两个不同的自动剪切流层，尾迹旋涡则会产生在管子后面。尾迹旋涡所产生的旋涡交替脱落于管子两侧，处于交替变化状态下的流体压力，会迫使管子发生振动，管束共振由此产生。

1.2 壳程流体弹性旋转

流体在排开管进行运动的过程中，相邻的管子之间存在相互作用的力场，管子自身所引起的作用与弹性位移在交替出现的流体力的作用下，其所产生的应力会作用在管束上，进而引发管束振荡。若壳程流体绕流速度发展至管子临界速度以上或等于管子临界速度，同一振动循环中的管子则会在流体能量的作用下产生较大的内能，若所产生的内能抵消管子阻尼消耗，使管子稳定被打破，管束振动由此产生。

1.3 紊流抖振

湍流流体是换热器壳程流体的主要形式，在每一个不同的方向都存在处于不断变化中的波动速度分量，并且波动频率范围较宽，当流体在管外流过时，管子会接收湍流分量所传递过来的能量，使管子出现随机振动，产生相应的紊流抖振。若出现速度分量频率与管子固有频率接近或相等的湍流，管子则会产生共振。

2 影响管束振动的主要因素

2.1 阻尼

列管工作换热器阻尼主要分为流体动力阻尼、材料阻尼以及结构性阻尼三种。其中流体动力阻尼产生于壳程流体在途经管束的过程中，所产生的压力与黏性会导致出现阴滞作用，进而引起流体动力阻尼。一方面，流体与管子之间原本即有一定的摩擦阻力，在振动过程中会损失一定的能量，运动频率出现下降。另一方面，管子振动会影响到管子与管子的宽度，流体动态也会相应地发生改变，将管子振动与挤压流体方向相反的力传递给管子，使管子振动能量被消耗。在材料阻尼方面，管束在振动过程中会产生一定的形变，所产生的形变会使管束振动能量被消耗掉一部分，进行产生材料阻尼。结构性阻尼是管束在振动过程中，支撑板、折流板与管子之间会发生一定的碰撞与摩擦，振动能量也会相应地产生消耗。适当的阻尼作用可以在管束振动的过程中，降低管束振幅，进而实现换热器在运行过程中保持平稳状态。通常情况下，相比于流体动力阻尼与结构性阻尼，材料阻尼最小。若壳程流体压力较大，占主要地位的是流体动力阻尼。若壳程流体为蒸汽或密度较低的气体时，占主要地位的是结构性阻尼。

2.2 壳程流速与管束节径比

管束节径比即换热管外径与换热管中心距的比值，壳程流速与管束节径的大小是决定管束振动强度的主要因素。比较大的管束节径比能够为尾迹形成和旋涡脱落营造充分地空间，所形成的旋涡脱落呈现出一定的规律性特点。流体流速大小直接影响到旋涡脱落与旋涡脱落频率的大小。振幅与管束振动频率随着流速的增大而增大。

较小的节径比则会使原有的旋涡脱落转变为宽频带脉动湍流旋涡，由于不同湍流分量自身的频率不同，其中频率与管子频率相近的湍流分量则会交付能量传递给管子，使管子出现振动。该情况下，紊流抖振直接引起管束振动。在流体流速较高而节径比较小的情况下，会出现流体弹性旋转，流速增加，管子振幅也会相应增加，相互碰撞下的管子则会受到一定的损坏。

2.3 冲击角

临界横流速度一定程度上受到冲击角的影响。对于列管工作换热器来说，换热管冲击角共包含45°、90°、60°、30°。在其他方面的条件保持恒定的状态下，45°冲击角临界横流速度最大，其次是30°、60°、90°。为了防止出现流体弹性旋转角度，非必要情况下不应设置正方形排列式换热管。

2.4 漏流与旁路流

列管式换热器壳体与内部结构中所包含的管束外层存在一定的间隙，在该间隙中间所出现的流体会生产旁路流。同时，在壳体与折流板内径之间，折流板管孔与换热管之间，管束与分程隔板之间也有一定宽度的间隙，这两部分的间隙所出现的流体会产生漏流。漏流与旁路流会放大壳程流体扰动，进而放大管束湍振。另外，若漏流与旁路流存在比较高的流速，间隙内部则会出现一定程度的共振。

3 列管式换热器与管束振动之间的关系

在管束振动作用下，相邻的管子会产生相互的碰撞，造成管束损坏，影响换热器质量；管子与折流板管孔之间存在摩擦作用，在加剧折流板管孔磨损程度的同时还可能会破坏管子，甚至会使相邻管孔出现没穿或磨损的问题；在管束振动的作用下，管板与管子之间出现连接疲劳的问题，使管板出现破损。

4 管束振动的控制手段

管束振动的控制需要从使用、制造与设计三个角度出发制定解决方案。

为了防止管子在额定工作状态下出现共振，在生产过程中需要遵循以下几方面的原则：第一，涡流脱落频率应保持在换热管最低固有频率的一半以下；第二，壳程横向流速应严格控制在换热管最低固有频率的一半以下；第三，临界横流速度应小于壳程横向流速。

限制壳程流速的具体方法如下：第一，扩展壳体尺寸或降低壳程流体流量；第二，扩张换热管中心距；第三，设置双弓形折流板。

在折流板窗口处与各个折流板之间位置设置纵向隔板，提高驻波频率的同时降低气柱尺寸，避免出现声学共振。另外，降低管子跨距长度，提高固有频率，也能够起到防止产生共振的作用。

[1] 李焕秀.列管式换热器管束振动与控制[J].科技创新导报，2014，（20）：66，68.

[2] 赖永星.换热器管束动态特性分析及流体诱导振动研究[D].南京：南京工业大学，2006.

Discussion on Vibration and Control of Tube Bundle of Tube-Type Heat Exchanger

Guo Jian-wen

The main factors that influence the vibration of tube bundle heat exchanger tube tube are described in detail.In order to extend the service life of the tube heat exchanger，the relevant methods of limiting or preventing the vibration of the tube bundle are introduced.

tube tube heat exchanger；tube bundle vibration；control

TQ051.5

B

1003-6490（2017）01-0068-02

2017-01-18

国建文（1986—），男，山东淄博人，工程师，主要研究方向为化工设备设计。