谢思遥 中国石化长岭分公司

一、振动机理研究进展

（一）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，称为卡门漩涡。漩涡流致使圆管上的压力分布呈周期性变化。圆管两侧由于静压不同，会产生一个垂直于流动方向的升力，升力的交替变化，导致圆管沿流体流动方向垂直的振动。

（二）湍流抖振（紊流抖振）

当换热器内流体流动的雷诺数Re＞4000时，流体出现湍流状态，使管道内流体产生脉动变化，紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量，当紊流脉动的主频率与管子的固有频率接近时，管子吸收能量并产生振动。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。紊流抖振不是導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。

（三）声振动

壳程流体是气体时，较容易产生声振动。当换热器中管束的流体处在漩涡脱离状态时，会引起管束振动，在管束的周围激起沿换热管径向传播的弹性波。这种驻波在管壳之间来回反射，形成一定的声学驻波和机械波，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，可能产生强烈的声学共振和噪音。壳程流体是液体时，由于声波在液体中传播的波长较长，难以形成声学驻波，声振动基本不会产生。

二、振动分析

在GB151 附录C 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，但手工计算时计算量较大，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ASPENTECH 公司的EDR（整合自己公司开发的B-JAC 及收购的HTFS 而成）。

利用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，其传热系数与压降模型基于大量实验数据，是符合TEMA 标准的计算结果最为可靠的工具之一。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動分析，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。

三、减少振动的措施

（一）增加换热管的固有频率

根据换热管的固有频率计算公式分析，换热管的固有频率和管束的支撑跨距的平方成反比关系，因此减小跨距是最有效的方法；采用弹性模量较高的换热管材质也可以提高固有频率，但由于换热管材质一般是根据管程流体的物性来选择，因此在设计中一般不会采用换材质的方法来预防振动。当换热管材质不变的情况下，还可以增大do4-di4 来增大固有频率，通过公示转换do4-di4=（do2+di2）（do2-di2）=（do2+di2）（do+di）（do-di）可以看出，增大do4-di4 实际上是增大换热管的直径或壁厚，但是这又不够经济。以外径分别为25mm 和19mm，壁厚为2mm 的换热管为例计算，每立方米钢材可以提供的换热面积依次是0.379m2/m3 和0.559m2/m3，后者比前者的换热面积增加47.5%。因此在设计时还是应优先选择小外径的换热管。通过以上分析可以看出减小跨距是增加换热管固有频率的最经济和有效的方法。

（二）增大临界横流速度和减小壳程横流速度

根据临界横流速度的计算公式分析，影响临界横流速度的因素比较复杂，需要综合考量。

（1）增加换热管的固有频率是增大临界横流速度的有效方法。

（2）在换热管的排列方式一定的情况下，增大临界横流速度可以通过增加节径比S/d0 来实现，通常的做法是增加换热管的间距，这样，壳程横流速度也同时减小。但是这种方法会增加壳体的直径，在一定程度上增加生产成本。

（3）改变换热管的排列方式对临界横流速度也有影响。一般情况下，60°的布管方式临界横流速度最大。

（4）减少壳程流量，采用双壳程F 型换热器，冷凝器可采用J21 型壳程；

（5）采用双弓形或多弓形折流板或者窗口区不布管，增大壳程流体流通面积。

（三）其他防振措施

（1）在壳程的进出口设置防冲挡板、增大壳程接管尺寸或者采用环形蒸汽入口、加设导流装置等措施，减少蒸汽对管束的直接冲击，可有效防止振动产生。

（2）在使用防冲挡板时，由于物料在挡板的作用下流向挡板边缘，使得挡板四周较近的管束受到物料冲击作用较大，容易产生振动现象。在此情况下，可采用防冲管进行消除，即增加部分空心或实心的管束在物料进口位置，从而分散物料对换热管的冲击，消除振动。

（3）通过在管束中设置纵向隔板可有效的消除声振动。

四、结语

换热器的振动机理是十分复杂的，它和换热器的管子材质、管子排列方式、管间距、折流板间距、壳侧流体性质和流动状态等因素都有关系。设计人员应重视换热器的振动分析，掌握引起管束振动的机理，据此找到引起振动的原因和消除振动措施。