（陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529941）

大型折流桿式換熱器管束磨損的研究

劉元慶，曹登洪，王進(jìn)，王飛，丁清越

（陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529941）

折流桿式換熱器在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已近20年，多數(shù)折流桿式換熱器管束支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考小尺寸換熱器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但小尺寸模型的試?yàn)數(shù)據(jù)存在一定局限性，不完全適用于大型折流桿換熱器管束支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文以國(guó)內(nèi)某電廠大流量折流桿式換熱器管束振動(dòng)磨損為例，研究分析大型折流桿換熱器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并提出了優(yōu)化和改進(jìn)措施。

折流桿；換熱器；磨損；改進(jìn)

折流桿式換熱器自上世紀(jì)七十年代問(wèn)世以來(lái)，以其抗振性能好、換熱效率高而得到廣泛應(yīng)用。折流桿換熱器殼側(cè)流體狀態(tài)為縱向流（或稱平行流），縱向流相比于橫向流對(duì)換熱管的激勵(lì)強(qiáng)度具有數(shù)量級(jí)的減弱，極大的降低了換熱管發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)的可能。然而，目前國(guó)內(nèi)仍無(wú)針對(duì)折流桿式換熱器換熱管組件的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)，大部分大流量折流桿換熱器支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在小模型試驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部比例放大而來(lái)，換熱管折流桿支撐示意圖如圖1所示。由于大流量工況下?lián)Q熱管組件的局部振動(dòng)特性與小模型存在較大差異，這種的設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致大流量折流桿式換熱器的工程應(yīng)用中出現(xiàn)換熱管振動(dòng)磨損的問(wèn)題。本文通過(guò)大型折流桿式換熱器管束組件振動(dòng)磨損實(shí)例的分析、研究，優(yōu)化大型折流桿式換熱器的設(shè)計(jì)方法。

1 管束磨損原因分析

1.1 管束磨損缺陷描述

2015年2月至10月，某電廠相繼發(fā)現(xiàn)2臺(tái)閉冷水系統(tǒng)的折流桿式換熱器換熱管嚴(yán)重磨損，大量換熱管局部壁厚減薄達(dá)40%以上，個(gè)別換熱管已出現(xiàn)穿孔，缺陷換熱管數(shù)量超過(guò)換熱管總數(shù)10%。某電廠大型折流桿換熱器的基本信息：折流桿式換熱器（尺寸φ1828mm×12000），管程流體介質(zhì)為海水（流量5760m3/h，壓力1bar），殼程流體介質(zhì)為除鹽水（流量3900m3/h，壓力6bar）。該換熱器傳熱管為鈦管，規(guī)格為φ25mm×0.5mm。傳熱管由52個(gè)奇偶數(shù)相隔（間距167mm）的折流圈和兩端的鈦—鋼復(fù)合管板支撐，折流桿與換熱管配合間隙0.5mm。折流圈由折流桿和一個(gè)環(huán)形圈組成，奇數(shù)折流桿為水平布置，偶數(shù)折流桿為垂直布置。折流桿材料為304不銹鋼，直徑5mm，折流桿最大跨度1693mm，最小跨度593mm。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)近80%的缺陷換熱管分布在換熱器進(jìn)出口區(qū)域。電廠分布從兩臺(tái)換熱器中拔取一根缺陷換熱管，并對(duì)換熱管缺陷形貌進(jìn)行檢查分析。

圖1 換熱管折流桿支撐示意圖

圖2 缺陷管樣本1(左)、樣本2(右)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拔取的兩根樣本缺陷管檢查，發(fā)現(xiàn)傳熱管表面缺陷形貌與折流桿形狀吻合，傳熱管表面磨損位置與折流桿所在位置吻合，折流桿表面對(duì)應(yīng)傳熱管表面缺陷位置也存在明顯磨損痕跡，其中樣本2換熱管已穿孔。

1.2 管束磨損缺陷原因分析

磨損形態(tài)分析。為進(jìn)一步明確換熱管、折流桿的相對(duì)振動(dòng)方向，電廠對(duì)換熱管表面缺陷進(jìn)行了電鏡掃描，電鏡掃描結(jié)果顯示損傷表面具有清晰的窄而淺的溝槽和明顯的擠壓變形特征，溝槽具有清晰的方向性。

圖3 缺陷管樣本1(左)、樣本2(右)電鏡掃描圖

樣本1如圖2（圖左右為換熱管長(zhǎng)度方向），拔出傳熱管缺陷微觀形貌，缺陷位置有明顯的沿鈦管長(zhǎng)度方向的摩擦痕跡，說(shuō)明折流桿存在沿傳熱管長(zhǎng)度方向的振動(dòng)，磨損點(diǎn)位于換熱器中部區(qū)域。

樣本2如圖3（圖左右為換熱管長(zhǎng)度方向），拔出傳熱管微觀形貌，缺陷位置有明顯垂直鈦管長(zhǎng)度的摩擦痕跡，說(shuō)明換熱管存在沿折流桿長(zhǎng)度方向的振動(dòng)。磨損點(diǎn)位于殼側(cè)入口區(qū)域，最大磨損點(diǎn)距離管板0.96m，磨損點(diǎn)均位于換熱管與折流桿支撐接觸位置；換熱器傳熱管缺陷分布圖4所示，可以看出有九組傳熱管的缺陷位置分布位于一根折流桿位置，拔出傳熱管表面缺陷形貌也與折流桿形狀吻合。說(shuō)明換熱器管束存在折流桿對(duì)傳熱管局部支撐效果不佳，導(dǎo)致管束振動(dòng)，傳熱管局部磨損。方框表示其位于同一行或同一列折流桿與傳熱管接觸位置。

圖4 換熱器磨損管在管板上的分布圖

損傷缺陷管數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，80%的磨損管分布在換熱器殼側(cè)進(jìn)出口1m范圍內(nèi)。綜上，據(jù)換熱管表面磨損缺陷形貌判斷，換熱器殼側(cè)進(jìn)出口區(qū)域換熱管在橫向流的作用下產(chǎn)生沿折流桿長(zhǎng)度方向的振動(dòng)，其他區(qū)域，折流桿在水流作用下產(chǎn)生沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度方向的振動(dòng)。

磨損原因分析。針對(duì)以上換熱管磨損的現(xiàn)象和分析，本文對(duì)折流桿的振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析、研究。折流桿式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是將殼側(cè)流體狀態(tài)由橫流改為縱流，消除管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)?，F(xiàn)有GB151中，核算換熱管是否發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)時(shí)，只考慮橫向流，折流桿換熱器殼側(cè)大部分橫流速度接近零，也有研究表明，縱向流引起換熱管振動(dòng)的臨界流速是橫流臨界速度的60倍以上，所以，現(xiàn)有折流桿式換熱器設(shè)計(jì)上基本不考慮縱向流對(duì)換熱管的誘導(dǎo)振動(dòng)。

雖然折流桿式換熱器殼側(cè)流體絕大部為縱向流，但在進(jìn)出口部分介質(zhì)仍為橫向流，在換熱管支撐效果不佳的情況下，此區(qū)域流體對(duì)換熱管的激振，也會(huì)引起換熱管的振動(dòng)，從而引發(fā)換熱管與折流桿的磨損。樣本2位于換熱器殼側(cè)入口區(qū)域，說(shuō)明換熱器殼側(cè)入口已出現(xiàn)較嚴(yán)重的換熱管振動(dòng)磨損。折流桿換熱器殼側(cè)進(jìn)出口區(qū)域，介質(zhì)相對(duì)于換熱管的流動(dòng)狀態(tài)都是橫流占主導(dǎo)，換熱管的振動(dòng)核算可近似等效為折流板換熱器，參考GB151中折流板換熱器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核算，則核算結(jié)果安全裕度較高。換熱器原設(shè)計(jì)參考小模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為折流桿換熱器設(shè)計(jì)中跨距167mm的兩組雙向折流桿支撐可等效成為跨距334mm的折流板支撐效果，因?yàn)閮山M雙向折流桿在334mm的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了換熱管四個(gè)方向的限制。按照GB151附錄C核算，與某電廠相同參數(shù)的換熱器，支撐板間距為334mm是滿足振動(dòng)核算要求的，但是GB151中也要求支撐板對(duì)換熱管的支撐寬度不小于10mm，實(shí)際上折流桿換熱器設(shè)計(jì)以雙向圓鋼支撐為點(diǎn)接觸，折流桿對(duì)換熱管的接觸面積遠(yuǎn)不及折流板。某電廠折流桿式換熱器管束嚴(yán)重磨損說(shuō)明，換熱器進(jìn)出口區(qū)域?qū)山M雙向支撐桿的效果與一組折流板支撐效果進(jìn)行等效的結(jié)果是不保守的。折流桿換熱器殼側(cè)進(jìn)出口的橫流區(qū)域，要實(shí)現(xiàn)折流桿與折流板的等效，需要關(guān)注折流桿自身的剛度的加強(qiáng)。

折流桿式換熱器殼側(cè)流體相對(duì)于換熱管為縱流，但相對(duì)于折流桿仍是橫流，且折流桿跨度約1700mm，直徑5mm，折流桿整體剛度過(guò)小，固有頻率過(guò)低，折流桿沿流體方向無(wú)支撐，僅在上下方向與換熱管接觸。流體振動(dòng)過(guò)程中折流桿易產(chǎn)生沿流體方向（換熱管長(zhǎng)度方向）的振動(dòng)，樣本1顯示換熱器中部區(qū)域已出現(xiàn)折流桿沿介質(zhì)流道方向的振動(dòng)，從而導(dǎo)致?lián)Q熱管局部磨損。參考GB151附錄C對(duì)折流桿進(jìn)行振動(dòng)核算，結(jié)果顯示卡門渦旋頻率與折流桿固有頻率之比在1.26～10.35范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于評(píng)定準(zhǔn)則0.5，不滿足GB151附錄C的管束振動(dòng)判定準(zhǔn)則。折流桿在換熱器中承受流體橫向沖刷，其流體誘發(fā)振動(dòng)采用GB151進(jìn)行計(jì)算，選取最長(zhǎng)的折流桿（1693mm）和最短折流桿（593mm），按照轉(zhuǎn)角45°的排列形式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示折流桿的剛度過(guò)小，對(duì)換熱管的支撐效果差，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)折流桿與管束振動(dòng)磨損的情況，也進(jìn)一步加劇了換熱器殼側(cè)進(jìn)出口區(qū)域換熱管的振動(dòng)磨損。折流桿與換熱管的支撐為點(diǎn)接觸，在換熱管或折流桿產(chǎn)生振動(dòng)的情況下，容易發(fā)生振動(dòng)—磨損—接觸間隙增大—振動(dòng)加劇的惡性循環(huán)。從樣本1、樣本2換熱管缺陷形貌的電鏡掃描結(jié)果也證明此惡性循環(huán)已經(jīng)發(fā)生。

2 優(yōu)化和改進(jìn)意見(jiàn)

根據(jù)以上原因分析，本文針對(duì)折流桿式換熱器提出以下優(yōu)化和改進(jìn)措施：優(yōu)化換熱器殼側(cè)進(jìn)出口區(qū)域換熱管橫流模型的振動(dòng)計(jì)算；換熱器殼側(cè)介質(zhì)流體為橫流。

在尚無(wú)其他成熟核算方法之前，可參考GB151附錄C，將此區(qū)域等效為折流板換熱器橫流模型進(jìn)行換熱管振動(dòng)計(jì)算。

提高折流桿的支撐剛度十分必要，可將折流桿修改為寬度大于10mm的鋼條，兩組圓鋼型折流桿雙向支撐等效為一組折流板的假設(shè)是不保守的。提高折流桿的剛度，減小折流桿跨度，考慮介質(zhì)橫向沖擊折流桿的條件下，不產(chǎn)生振動(dòng)，可參考GB151附錄C進(jìn)行折流桿振動(dòng)計(jì)算，將介質(zhì)對(duì)折流桿的流體誘導(dǎo)振動(dòng)等效為折流板換熱器的橫流模型；優(yōu)化折流桿的布置，考慮到換熱器進(jìn)出口區(qū)域仍是橫流狀態(tài)，折流桿對(duì)換熱管的支撐需要加強(qiáng)，可以采用進(jìn)出口區(qū)域折流桿密度增加的方案。圓鋼型折流桿與換熱管接觸為點(diǎn)接觸不僅對(duì)換熱管的支撐效果差，且易出現(xiàn)磨損，改為鋼條后，增加了支撐寬度和接觸面積，支撐效果更佳。事件電廠已參考以上優(yōu)化和改進(jìn)意見(jiàn)對(duì)原換熱器進(jìn)行了替代改進(jìn)，改進(jìn)后換熱器運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)管束磨損現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，折流桿式換熱器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致管束出現(xiàn)嚴(yán)重磨問(wèn)題的根本原因，具體表現(xiàn)在折流桿剛度不足、折流桿雙向支撐等效折流板支撐的假設(shè)不夠保守、換熱器殼側(cè)進(jìn)出口區(qū)域折流桿對(duì)管束支約束不足、管束與折流桿的實(shí)際配合間隙過(guò)大等方面。

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