陳 拓, 王茂廷, 涂 闖

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

固定管板式換熱器管束振動(dòng)的模擬分析

陳 拓, 王茂廷, 涂 闖

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

換熱器管束振動(dòng)存在于每個(gè)換熱器中，通過(guò)分析引發(fā)管束振動(dòng)的各種誘因，發(fā)現(xiàn)只要使激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離換熱器管束的固有頻率則可有效避免管束的振動(dòng)。應(yīng)用ProE和Ansys等軟件實(shí)現(xiàn)了等效模擬分析。通過(guò)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)為了獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果進(jìn)行有限元分析是很有必要的。

換熱器; 管束振動(dòng); 固有頻率; 共振

隨著石油化工工業(yè)、核動(dòng)力工業(yè)的發(fā)展,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越規(guī)范，在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，直徑都已達(dá)到2～2.5 m,一方面使質(zhì)量和體積增大了，另一方面為了提高換熱性能, 應(yīng)盡可能地提高流速, 而殼程橫向流速過(guò)高就會(huì)誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在破損失效的換熱器中,由于管束振動(dòng)引起的占比達(dá)到了30%左右， 可見(jiàn)管束振動(dòng)已成為換熱器損壞的重要誘因。因此如何避免和減小管束振動(dòng)在石油化工領(lǐng)域有著重要的意義［1］。

1 國(guó)內(nèi)外換熱器流體誘發(fā)管束振動(dòng)的研究現(xiàn)狀

在1970年，由美國(guó)的菲利普公司研發(fā)設(shè)計(jì)了一種名為折流桿式的換熱器，折流桿起到了固定的作用，同時(shí)具有防振、不易結(jié)垢、殼程壓降、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。其中它的殼程流動(dòng)以縱向流為主，可以有效地消除換熱器內(nèi)流體誘發(fā)管束振動(dòng)的根源［2-4］。國(guó)內(nèi)的蘭州石油機(jī)械也研究了自己的折流桿換熱器、板式換熱器等一系列高效換熱器。山東大學(xué)程林［5］也研究出了螺旋槽管換熱器等新型換熱器。這些成果為促進(jìn)中國(guó)煉油、化工工業(yè)的安全快速發(fā)展發(fā)揮了巨大作用，使中國(guó)的在換熱技術(shù)領(lǐng)域跨入了國(guó)際先進(jìn)行列。

換熱器內(nèi)流體誘發(fā)管束振動(dòng)是一門新興的邊緣學(xué)科，它涉及到流體力學(xué)、振動(dòng)原理、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)及有限元和壓力容器設(shè)計(jì)等多學(xué)科內(nèi)容。流體誘發(fā)管束振動(dòng)的主要原因有以下四種: 流體彈性激振、湍流抖振、旋渦脫落以及聲共鳴。由此可見(jiàn),流體誘發(fā)管束振動(dòng)的特性主要取決于管子系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)阻尼及其流動(dòng)特性［6］。為了避免出現(xiàn)共振的情況，換熱器都需要進(jìn)行共振分析，必須使得激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離固有頻率。

2 換熱器的固有頻率

換熱器的最小固有頻率我們可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算和模態(tài)分析得到，通過(guò)對(duì)比得到更符合防振設(shè)計(jì)的有效參數(shù)。

2.1 換熱器固有頻率公式

固有頻率是換熱器的一個(gè)很重要的參數(shù)，結(jié)構(gòu)不同頻率不同，其計(jì)算式如下

式中:

A—軸向應(yīng)力系數(shù)；

C—管跨幾何形狀系數(shù)；

E—換熱管材料彈性模量；

I—管子慣性矩；

l—無(wú)支撐管跨距；

w—單位長(zhǎng)管子的質(zhì)量；

Cu—U型管形式系數(shù)；

R—U型管平均彎管半徑。

2.2 換熱管簡(jiǎn)易模型

如圖1，該換熱器為帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，單殼程六管程，根據(jù)GB151-2012［7］查得換熱管材料為不銹鋼，不銹鋼的機(jī)械性能如表1，共有190根換熱管，其截面為φ25×2.5 ，其長(zhǎng)度L=2 600 mm，管間距為32 mm，排列方式為正三角形。

圖1 換熱管示意圖Fig.1 Heat exchange tube schematic

表1 不銹鋼的機(jī)械性能Table 1 The mechanical properties of stainless steel

2.3 換熱管模態(tài)分析

利用Ansys進(jìn)行數(shù)值模擬，前處理主要就是建模和網(wǎng)格劃分，如圖2，這在很大程度上決定了計(jì)算結(jié)果的可信程度。

圖2 換熱管模態(tài)分析圖Fig.2 Heat exchange tube modal analysis diagram

3 換熱器管束振動(dòng)的機(jī)理

換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中主要需要換熱管中的橫向流速率、臨界流速、紊流抖振頻率及漩渦脫落頻率等主要參數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)在比較中能遠(yuǎn)離管束固有頻率，則管束處于安全運(yùn)行中。

3.1 橫向流速

除進(jìn)出口處第一排管的橫向流速采用GB151-2012［7］標(biāo)準(zhǔn)算法計(jì)算外,其他區(qū)域的橫向流速都可根據(jù)下式計(jì)算

即用流量除以與流動(dòng)主方向垂直的管束的間隙面積,以此得到管束的平均流速用以后續(xù)計(jì)算。

進(jìn)出口處第一排管的橫向流速可根據(jù)下式計(jì)算

3.2 流體彈性失穩(wěn)

殼體內(nèi)產(chǎn)生的流體彈性激振是對(duì)換熱管束破壞最嚴(yán)重的因素，臨界流速為

式中 : d0—管子外徑；

D —臨界流速系數(shù)。

3.3 漩渦脫落誘導(dǎo)的振動(dòng)

殼體內(nèi)產(chǎn)生的流體彈性激振是對(duì)換熱管束破壞最嚴(yán)重的因素，臨界流速為

由于漩渦脫落頻率與換熱管固有頻率的接近或者達(dá)到完全吻合而會(huì)產(chǎn)生管束的振動(dòng)，則漩渦脫落頻率的計(jì)算公式為

式中:

V—橫流速度;

S—斯特哈羅數(shù)。

漩渦脫落引發(fā)的管束振動(dòng)的振幅vsy的計(jì)算公式如下：

兩端簡(jiǎn)支跨距的振幅為：

一端簡(jiǎn)支，一端固定支管跨的振幅為：

式中: CL—漩渦脫落升力系數(shù)。

3.4 湍流抖振

湍流中的脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)不斷給管束提供能量，當(dāng)湍流抖振的主頻率與管子的固有頻率接近時(shí)，管子開(kāi)始吸收激勵(lì)產(chǎn)生的能量并產(chǎn)生振動(dòng)。

湍流抖振頻率的公式表達(dá)如下：

式中:

pt—縱向的換熱管中心距;

p1—橫向的換熱管中心距 。

換熱管湍流抖振峰值振幅tby的計(jì)算公式：

式中 :CF—流體力系數(shù)。

通過(guò)以上計(jì)算公式可以分別得到頻率、振幅、臨界流速及橫向流速等各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)以上公式，不難發(fā)現(xiàn)管壁厚度、跨距、管間距等對(duì)引發(fā)管束振動(dòng)起了決定作用，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，換熱器成本、安裝和使用也是我們需要考慮的，因此，進(jìn)行換熱器的有限元分析是很有必要的。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于流體誘發(fā)管束振動(dòng)的機(jī)理很復(fù)雜，相應(yīng)的防止管束振動(dòng)的方法也有很多種，首先在防振設(shè)計(jì)中，我們可以通過(guò)增大管壁厚度，增大管間距，增設(shè)折流板的方法來(lái)減小振動(dòng)。由于設(shè)計(jì)過(guò)程一般是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，可見(jiàn)設(shè)計(jì)并不是唯一解決問(wèn)題的方法。減小橫流速率在使用過(guò)程中也能減小振動(dòng)的產(chǎn)生，相應(yīng)的在安裝和維護(hù)過(guò)程中也有可能引發(fā)管束振動(dòng)，這些都是我們需要注意的。

我相信隨著進(jìn)一步的研究和不斷實(shí)踐，相應(yīng)的有效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則終將會(huì)產(chǎn)生，從換熱器的選材到對(duì)其的加工制造、安裝、使用、、維修都要及時(shí)的采取有效措施，保證換熱器的“安全、穩(wěn)定、高效”運(yùn)行。

［1］ 賴永昌,劉敏珊,董其伍．靜止外部流體對(duì)換熱器管束動(dòng)特性的響分析[J].壓力容器，2005，12(21)：22-25.

［2］ 賴永星,王 珂,等．換熱管與折流板孔之間的間隙對(duì)換熱管動(dòng)特性影響分析[J] . 壓力容器，2007，38(2)：31-35．

［3］ 姜超越,覃新川,周幗彥．管殼式換熱器流體誘發(fā)管束振動(dòng)設(shè)計(jì)究[D]. 上海：華東理工大學(xué),2012.

［4］ 張俊杰,劉紅,陳佐一．換熱器管束流體激振的研究現(xiàn)狀評(píng)估及新方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，43(10)：1432-1436.

［5］ 程林. 彈性管束換熱器原理與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2001.

［6］ 王 珂,賴永星,王賀,等．溫度應(yīng)力對(duì)換熱器管束動(dòng)特性的影響分析[J].石油機(jī)械，2007，35(3)：16-18．

［7］ GB151-2012 管殼式換熱器[S].

下游聚酯企業(yè)向上游延伸 PTA產(chǎn)業(yè)進(jìn)入后擴(kuò)張時(shí)代

全球PTA產(chǎn)業(yè)在過(guò)去的5年間發(fā)生了天翻地覆的變化。隨著下游聚酯企業(yè)積極將業(yè)務(wù)向上游延伸，中國(guó)的PTA產(chǎn)能從2010年的1500萬(wàn)噸左右猛增至2015年的近4600萬(wàn)噸，增幅超過(guò)200%，當(dāng)前已進(jìn)入后擴(kuò)張時(shí)代。曾經(jīng)作為全球PTA最大進(jìn)口國(guó)的中國(guó)一舉實(shí)現(xiàn)了自給自足，并在2015年的4～7月間連續(xù)實(shí)現(xiàn)了少量的凈出口。如此劇變令全球，特別是東北亞的PTA產(chǎn)業(yè)遭受了嚴(yán)重的沖擊。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，競(jìng)爭(zhēng)更是日趨白熱化。

產(chǎn)能增速開(kāi)始放緩老舊裝置淘汰

當(dāng)前這一波投資潮基本已過(guò)頂峰，但未來(lái)幾年中仍會(huì)有新產(chǎn)能來(lái)襲。從今年四季度到明年，漢邦二期(220萬(wàn)噸/年)和四川晟達(dá)(100萬(wàn)噸/年)將會(huì)先后投產(chǎn)。寧夏寶塔石化和新疆昆玉的項(xiàng)目不確定因素尚多，至少存在推遲預(yù)期。此外，據(jù)悉嘉興石化、恒力以及逸盛仍各有一套新裝置或在前期準(zhǔn)備或在醞釀之中?？傮w來(lái)看，產(chǎn)能增速會(huì)顯著放緩，但大型新裝置投產(chǎn)對(duì)市場(chǎng)的沖擊也不容小覷。激烈的競(jìng)爭(zhēng)之下，老舊產(chǎn)能的淘汰成為了部分緩解市場(chǎng)壓力的一個(gè)頗為無(wú)奈的因素。截至2014年年底，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期閑置或基本關(guān)閉的產(chǎn)能已超過(guò)700萬(wàn)噸/年。進(jìn)入2015年，紹興遠(yuǎn)東石化正式啟動(dòng)破產(chǎn)程序，又為市場(chǎng)騰挪出了一年200萬(wàn)噸左右的空間。未來(lái)，一些單體產(chǎn)能較小、生產(chǎn)成本較高的老舊裝置存在退市預(yù)期；接連幾年的效益之困也可能迫使部分外商投資企業(yè)作出抉擇；資金面的狀況也還有可能引發(fā)類似遠(yuǎn)東石化這樣較大規(guī)模的產(chǎn)能調(diào)整。

需求增速預(yù)期有限出口并非坦途 PTA的需求增長(zhǎng)依賴于下游聚酯行業(yè)的表現(xiàn)，而作為成熟產(chǎn)業(yè)，全球主要聚酯品種的需求增速在過(guò)去的5年中均呈現(xiàn)出明顯的放緩勢(shì)頭，個(gè)別環(huán)節(jié)如聚酯短纖還出現(xiàn)過(guò)零增長(zhǎng)甚至負(fù)增長(zhǎng)。中國(guó)當(dāng)前的聚酯需求超過(guò)全球總量的50%.盡管其增速始終高于全球平均水平，但也已從2010年的15%+降至2014的接近4%.2015年上半年在低油價(jià)的刺激下，中國(guó)的聚酯需求增速出現(xiàn)了明顯的反彈，目前估算全年有望達(dá)到甚至超過(guò)7%，但其中有必要考慮到下游投機(jī)性建庫(kù)存所帶來(lái)的額外提振。理性地看，需求增速繼續(xù)放緩在未來(lái)幾年依舊屬于大概率事件，每年中國(guó)新增聚酯需求或?qū)⒈３衷?00萬(wàn)噸上下，按PTA當(dāng)量計(jì)算也就是170萬(wàn)噸左右。

Analysis of Tube Vibration in the Fixed Tube Plate Heat Exchanger

CHEN Tuo，WANG Mao-ting，TU Chuang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The tube bundle vibration exists in every heat exchanger. By analyzing the inducements of the tube bundle vibration, it’s found that as long as the excitation frequency is away from the natural frequency of heat exchanger tube bundle, the vibration of tube bundle can be effectively avoided. The ProE and Ansys softwares were applied to implement the equivalent simulation analysis. By comparing, it’s found that, in order to obtain more accurate results, the finite element analysis is necessary.

The heat exchanger；Bundle vibration；Natural frequency；Resonance

TQ 052

： A

： 1671-0460（2015）10-2438-03

2015-03-26

陳拓（1988-），男，河北石家莊人，在讀研究生，研究方向：換熱器管束振動(dòng)。E-mail：470570872@qq.com。