張穎 齊增杰 趙慧玲

摘 要：目前，在石化領(lǐng)域中間壁式傳熱型管殼式換熱器備受大眾關(guān)注，通常被應(yīng)用在真空至超高壓，低溫上升至高溫，且市場(chǎng)占有率達(dá)到了65%。當(dāng)石化裝置規(guī)模迅速擴(kuò)大，隨之管殼式換熱器順應(yīng)市場(chǎng)需求規(guī)格也不斷變大，因此換熱器管束振動(dòng)引發(fā)的換熱設(shè)施受損問(wèn)題層出不窮，不光導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下滑，同時(shí)也埋下了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，換熱器設(shè)計(jì)中的振動(dòng)解析與防振設(shè)計(jì)備受設(shè)計(jì)技術(shù)員的重點(diǎn)關(guān)注。

關(guān)鍵詞：管式換熱器;振動(dòng);分析;預(yù)防

通過(guò)實(shí)踐證明了管殼式換熱器管束振動(dòng)基本原理與判斷依據(jù)，隨即提議了預(yù)防管束振動(dòng)產(chǎn)生多樣化策略。并且利用換熱器核算軟件HTRI振動(dòng)解析板塊，針對(duì)某漿料預(yù)熱器實(shí)施了振動(dòng)模擬解析。經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，最終可在設(shè)計(jì)時(shí)段完成預(yù)防振動(dòng)產(chǎn)生。

一、分析管束形成振動(dòng)的基本原理與判斷依據(jù)

通過(guò)實(shí)踐證實(shí)引發(fā)管束振動(dòng)的誘因?yàn)榇怪庇诠苁鴻M向流引發(fā)振動(dòng)。當(dāng)下達(dá)成共識(shí)形成振動(dòng)的基本原理為卡門旋渦、紊流抖動(dòng)、流體彈性不平穩(wěn)與聲共振。而引發(fā)管束振動(dòng)起因非常繁雜，排除上述基本原理行業(yè)專家給出了射流不平穩(wěn)與轉(zhuǎn)換、兩相流靜壓脈動(dòng)、尾流擺動(dòng)等，基于此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)法針對(duì)引發(fā)振動(dòng)的基本原理給出精準(zhǔn)的研判。

二、降低管式換熱器振動(dòng)預(yù)防策略

（一）提升換熱管固有頻率

按照換熱管固有頻率核算解析，換熱管固有頻率與管束支撐跨距平方成反比聯(lián)系，所以降低跨距為最直接的方式，且利用彈性模量較強(qiáng)的換熱管材料也能提升固有頻率，畢竟換熱管材料選用依據(jù)管程流體物性來(lái)決定，所以設(shè)計(jì)中無(wú)法利用替換材料完成預(yù)防振動(dòng)。針對(duì)上述對(duì)比解析得出結(jié)論，縮小跨距是提高換熱管固有頻率最佳方式。然而，在設(shè)計(jì)管殼式換熱器中，降低跨距通常利用下述方式：第一，折流板之間距離縮小;第二，選用NTIW型換熱管排列模式，在窗口區(qū)域無(wú)管設(shè)置，從而使折流板全部撐起了換熱管，然而，此方式縮減了分布管區(qū)間，勢(shì)必增加了殼程直徑，從而提升了加工費(fèi)用投入。第三，在U型管區(qū)域、折流板相互間及其殼程進(jìn)口與出口位置添加支撐。

（二）提升臨界與降低殼程橫流速率

第一，提升臨界橫流速率最直接方式為提升換熱管固有頻率。第二，當(dāng)換熱管排序固定狀況下，提升臨界橫流速率需利用提高節(jié)徑比S/do完成，常規(guī)操作為提升換熱管之間的距離，此時(shí)殼程橫流速率一并降低。然而，提升殼體直徑方式，實(shí)際上卻提升了費(fèi)用投入。第三，臨界橫流速率會(huì)因轉(zhuǎn)換了換熱管排列模式產(chǎn)生影響。通常操作下，臨界橫流速率60°布管方法是最大數(shù)值。第四，降低殼程流量，雙殼程F型換熱器投入應(yīng)用，而J21殼程為首選冷凝器。第五，增設(shè)殼程流體流通面積，可借助雙弓形或多弓形折流板，亦或窗口區(qū)間無(wú)設(shè)立布管。

（三）其它預(yù)防振動(dòng)策略

第一，在殼程進(jìn)口或出口設(shè)立防沖擋板，增設(shè)殼程接管規(guī)格，利用環(huán)形蒸汽入口，增添導(dǎo)流裝置等方法，減少蒸汽對(duì)管束撞擊，方才能預(yù)防振動(dòng)發(fā)生。第二，設(shè)立防沖擋板過(guò)程中，相關(guān)原料在擋板影響下流到擋板邊角，造成緊貼擋板周圍管束遭受原料影響非常大，極易形成振動(dòng)問(wèn)題。因此，撤銷防沖管，之后提升部分空心或?qū)嵭墓苁O(shè)立在原料進(jìn)口，進(jìn)一步緩解原料對(duì)于換熱管撞擊，減輕振動(dòng)。第三，設(shè)立縱向隔板在管束中，最大程度減輕聲振動(dòng)。

三、HTRI換熱器核算流程具體使用

首先，預(yù)測(cè)管束振動(dòng)是極為繁雜的流程，需遵照振動(dòng)數(shù)據(jù)代入判定公式來(lái)實(shí)現(xiàn)人為核算，無(wú)法順應(yīng)設(shè)計(jì)相關(guān)需求。因此，人為核算已被精準(zhǔn)換熱器核算軟件所替換，并產(chǎn)生了積極的影響。然而，HTRI換熱器核算軟件是由美國(guó)傳質(zhì)及其傳熱協(xié)會(huì)研發(fā)，將振動(dòng)解析板塊植入軟件中，可迅速預(yù)算出振動(dòng)狀況，更有利于設(shè)計(jì)人員科學(xué)制定下一步計(jì)劃，減少振動(dòng)原因干擾，研發(fā)出平穩(wěn)性高的換熱器。

接下來(lái)主要針對(duì)苯二甲酸工廠某漿料預(yù)熱器設(shè)計(jì)舉例，深入解析減少振動(dòng)具體策略。畢竟?jié){料壓力較大，同時(shí)需清洗，由于漿料按照管程，蒸汽按照殼程。且蒸汽量極大，優(yōu)選了J21型換熱器。而換熱管優(yōu)選了φ19 mm，排列角為30°，管中心間距為25mm，折流板距離550mm，單弓形折流板，且缺口保持37%，而防沖板設(shè)立在殼程入口。通過(guò)初期核算，換熱器直徑達(dá)到了1.1m，長(zhǎng)度12m。高效換熱面積是773m。

然而，HTRI運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)顯示，第一，殼程流速臨界的入口與出口流速超標(biāo)，第二，管束臨界流速入口80%超標(biāo)，第三，支撐跨距不設(shè)置在出口。振動(dòng)警告在振動(dòng)報(bào)告中被標(biāo)明的非常清楚。緊接著對(duì)換熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)施微調(diào)，而采用不相同方案完成預(yù)防換熱器振動(dòng)效果，當(dāng)中縮減折流板距離為最高效辦法。

而在HTRI軟件發(fā)出警告時(shí)，只單純表明換熱器出現(xiàn)振動(dòng)的可能性，無(wú)法完全認(rèn)定會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，則要通過(guò)大量數(shù)據(jù)核算來(lái)明確。但HTRI軟件只解析了單根管振動(dòng)板塊，假設(shè)換熱管束劃分為三個(gè)極易出現(xiàn)振動(dòng)區(qū)間，針對(duì)其中某管道采取了單根管振動(dòng)解析，且此管道內(nèi)無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，最終可推算出整體換熱器無(wú)振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)論。

針對(duì)案例中漿料采取預(yù)熱器振動(dòng)解析，率先把折流板距離降低到500mm，致使出口不具備支撐跨距，且在準(zhǔn)許最大數(shù)值范疇內(nèi)，結(jié)果殼程入口流標(biāo)超標(biāo)警示無(wú)法消除。接下來(lái)不調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，需對(duì)極易形成振動(dòng)區(qū)間的單根管作出詳盡的振動(dòng)解析。最終振動(dòng)判斷數(shù)據(jù)為：Gap Velocity/Critical Gap Velocity< 1，且Max Vortex Shedding Ampltude <換熱管凈距一半，即為3mm。

此時(shí)，需明確：HTRI具體振動(dòng)分析結(jié)論與GB/T 151-2014判斷數(shù)據(jù)不相同，因此，在設(shè)計(jì)中需盡全力利用不同方案來(lái)減少振動(dòng)警示。然而，在應(yīng)用不同方案之后，依舊無(wú)法獲得理想效果或防振動(dòng)投入較大，最終方才可經(jīng)過(guò)具體振動(dòng)解析來(lái)明確振動(dòng)狀況。

總結(jié)

總而言之，換熱器振動(dòng)基本原理非常繁瑣，其與換熱器管體原料、管束排序方法、管間距、折流板之間距離、殼側(cè)流體性質(zhì)與流動(dòng)狀況等息息相關(guān)。因此，匯總分析了引發(fā)管束振動(dòng)的基本原理，更有利于掌控不同振動(dòng)方式干擾原因，隨即給出不同防振策略。不僅如此，可利用換熱器軟件HTRI來(lái)核算振動(dòng)解析板塊，針對(duì)某工廠中預(yù)熱器實(shí)施振動(dòng)模擬解析，利用調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)方案，可在設(shè)計(jì)時(shí)段預(yù)防振動(dòng)的產(chǎn)生。基于此，設(shè)計(jì)工作人員需重點(diǎn)關(guān)注換熱器振動(dòng)解析，充分了解引發(fā)管束振動(dòng)的基本原理，以此為根本探尋引發(fā)振動(dòng)起因與緩解振動(dòng)策略。此外，需重視設(shè)施制作費(fèi)用的投入，率先考慮性價(jià)比高的預(yù)防振動(dòng)策略。

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