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基于流致振动机理的折流杆换热器振动原因分析与防振建议
摘 要:折流杆换热器在电厂循环冷却中应用非常广泛,在流量不大情况下运行平稳,但实际表明在强烈的流体激励环境中折流杆换热器同样有发生振动破坏的危险.本文运用流致振动理论并结合工艺分析了换热管与折流杆振动及相互摩擦损伤的原因,提出严格限制折流杆的直径和换热器的通径,降低壳程流体流速,改变换热器壳程入口的结构等防振方面的建议.
关键词:折流杆换热器;诱导振动;固有频率;临界流速
中图分类号:TK172 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2018.06.106
折流杆换热器是一种新型的换热设备, 与传统的折流板换热器相比具有管束振动小、传热效率高、结垢率低等优点.它将流体横掠管壳变成纵掠管束,其独特的壳程流体流场特性及对管子完善的支承,使折流杆列管式换热器逐渐引起人们广泛重视并被普遍应用.然而,随着石油、化工装置的大型化,近年来,出现了折流杆列管式换热器在较大流量或高流速场合下换热管振动损坏现象.由于换热管振动摩擦损坏存在很多因素,目前对流体诱导振动的研究还不是很成熟,因此对折流杆换热器进行流体诱导管束损坏机理的研究及数值计算,对于分析换热管振动损坏的原因以及为折流杆换热器的设计提供理论支持,具有十分重要的现实意义.
1 折流杆换热器的特点
折流杆列管式换热器是用圆形的折流杆组成的折流圈来代替传统的弓形折流板,使折流杆对管子形成牢固支承,又对流体起扰动强化传热作用的换热器.每一个折流圈都由相互平行的折流杆组成,折流杆一般为不锈钢圆钢条,奇偶相间排列,换热管则穿行其中.相邻折流圈的折流杆相互垂直,
4根折流杆使管子构成一组4个方向的支承[1](见图1).这种支承方式改变了流体横掠管束的状态,使流体变成了沿管束轴线方向的纵向流,从源头上大大减少了管束诱导振动的产生,延长了换热器的使用寿命[2].折流杆换热器从诞生至今,相比传统
的折流板式换热器,其管束具有振动小、壳程压降低、结垢率低、传热特性好、寿命长等优点,使其越来越受到国内外广泛的重视而得到普遍应用.
目前在电厂循环冷却工业水方面普遍应用到折流杆换热器,虽然在流量不大的情况下使用较稳定,但事实证明,在强烈的激励环境中,折流杆换热器仍会有发生振动破坏的危险.在粤西某核电厂,近年来就发生了几起折流杆换热器的管束振动损坏事故,换热管与折流杆由于振动造成相互摩擦碰撞,使得超过10%的换热管管壁减薄,超过堵管标准而不能正常使用.
虽然折流杆换热器壳程流体以平行换热管的纵向流为主,但在壳程进出口区域,仍然以垂直管束的横向流为主,对管子存在一定的冲击,在多种因素的作用下,造成折流杆与管子的相互振动摩擦,最终使管壁减薄而产生泄漏.下面以核电厂循环冷却工业水领域较常用的折流杆换热器的管束振动损坏为例进行振动分析研究.
2 折流杆换热器的流致振动机理
壳程流体为液体时,对管束的横向振动存在卡曼漩涡分离、紊流抖振、流体弹性激振等3种流致振动机理[3].
2.1 卡曼漩涡分离
当流体以某一流速横流过单个圆柱体(换热管)时,相当于流体流过塔体一样,会在圆柱体背面两侧交替产生漩涡,然后脱离形成周期性的漩涡尾流.但是,换热器管束的卡曼漩涡产生与流体流经单个塔体时产生的卡曼漩涡不同,斯脱拉数不仅是雷诺数的函数,还与管子的节径比(管子的节距与直径之比)有关.即对于大节径比的管束,易产生漩涡,而对于小节径比的管束,则认为不可能产生.即当管子之间的间隙小于管径时,则不能从每根管子上分离出漩涡,而是形成一个由整个系统共同形成的涡街.
实践证明,对于节径比在1.25~1.50之间的管子,形成密集管束,多半是由于其他机理才造成管子振动破坏,漩涡分离只会发生在靠近管束外缘的管子.所以,如果换热器内部管束排列密集,一般不会产生漩涡脱离现象.
2.2 紊流抖振
紊流抖振机理由OWEN提出[4].他认为,对于较小节径比的密集管束内部,由于流体迷宫式的行程,如果雷诺数较大,随机的不规则的紊流逐渐增大,必定会导致完全不连续的流动状态.由于管子对流体动力学的选择性,在承受杂乱无章的紊流压力波动作用时,首先因本身的自振频率引起响应而振动,使得管子振幅随流速增大而增大.由于紊流脉动的随机性,所以一般不会发展成较大范围的共振现象.虽然业界很少认为紊流抖振是造成管子破坏的主要原因,但是紊流是激发管子运动以致引起流体弹性不稳定的可能机理之一.为此,提高上游流体的湍动度势必会降低流体弹性不稳定的临界速度.如果换热器的壳程流体流量过高,使得入口横流速度增大,雷诺数过大,则不利于降低流体弹性不稳定的临界速度.
2.3 流体弹性激振
流体弹性激振亦称为流体弹性不稳定,是在其他已有机理(如漩涡分离或紊流抖振)激发管子运动的情况下产生的.率先研究这一机理的是康诺斯,他认为在密集的管束结构中,当某一根管子的原有平衡位置被打破时,都会改变其与相邻管子周围的流场,使流场呈非对称振荡变化,流体力也会随着变化.变化的流体力又影响了附近的管子,使其也发生位移而处于振动状态,这些管子的运动反过来又改变周围的流场并作用在原先那根管子上.因此,任何一根弹性管子的平衡位置发生瞬时位移,都会影响邻近管子的平衡状态.当壳程流体速度达到某一临界值并稍有增加时,振幅即有大幅度增加,由流体弹性力对管子系统所做的功大于管子系统阻尼作用所消耗的功,此时,管子就会发生大振幅的振动,直到管子相互碰撞而造成破坏,这是一种最常见的振动破坏现象.流体弹性激振是换热器中最重要的振动机理,流体弹性激振临界速度的计算公式为
wr 等于 β fn(mδ0γ)·980 .(1)
式中:wr为相邻两管道之间的临界速度,m/s;β为不稳定界限常数;fn为管子固有频率,Hz;m为管子单位长度质量,kg/m;δ0为静止时的流体中管子的对数衰减率,无量纲;γ为流体的重度,N/m3.
根据GB 151—2014 热交换器,当壳程横流速度大于临界速度时,就有可能发生管束振动.
3 换热器振动判断的依据
根据GB 151—2014 热交换器中关于振动的判据:当壳程流体为气体或液体时,只要符合下列条件中的任何一条,就有可能发生管束振动[5].
1)卡门漩涡频率fv与换热管最低固有频率fn之比大于0.5.
2)横流速度V大于临界横流速度Vc.
实际计算中,根据换热器的工况、GB 151—2014 热交换器及美国TEAM标准进行换热管固有频率与卡门漩涡频率的计算,可计算出壳程临界横流速度.
为使预测分析更加直观具体,还可利用有限元分析方法[6],通过流体分析FLUENT软件,对折流杆换热器进行三维物理建模,导流板采用多孔介质模型进行处理,以体现水穿过导流板孔时的阻力,未构建的内部管束则由多孔介质模型替代,采用k-ε Realizable湍流模型,计算在二阶精度达到收敛[7].通过设定边界条件,数值求解及后处理,可得出换热器在多种不同流量工况下的流场分布规律,寻找内部最薄弱环节,为折流杆换热器的防振设计提供直观的数值分析依据.
4 加工工艺方面分析
折流杆换热器对加工工艺要求非常严格,根据行业经验,折流杆换热器的制造一般遵循以下加工工艺,一是折流杆直径一般为5~12 mm,表面要求较光洁;二是换热器直径一般在300~4 000 mm之间;三是折流圈间距通常应在80~450 mm之间,对于核电厂换热器最常用的是150 mm;四是组装好坏关系到换热器的正常使用寿命,应避免换热器外壳与折流圈的环缝间隙过大.
由于单个折流圈内折流杆对换热管的支承近似为单点支承,使得折流杆对换热管振动的抑制作用较弱.若加工过程不能严格控制折流杆的直线度以及折流杆的中心距,势必造成部分位置折流杆与换热管间隙过大,这样一方面减弱了折流杆对换热管振动的抑制作用;另一方面,在横向冲刷下折流杆的随机振动将会导致换热管在间隙行程内的大幅振动,加剧了换热管与折流杆的相互磨损,使得点接触的折流杆与换热管的间隙进一步增大,如此恶性循环,最终导致换热管的损坏甚至磨穿.
5 结束语
近年来,折流杆换热器作为一种新型的换热设备,在石油化工特别是核电厂工业水循环冷却方面应用非常广泛,随着转机容量的不断增大,换热设备不断大型化,在大流量、高流速环境下,折流杆换热器的振动问题不容忽视.实际上,在分析研究换热管的振动机理时,除了要进行理论分析及相关数学计算,还应综合考虑换热器在实际运行过程中可能出现的一些不可预知因素,如管程海水可能混有异物、壳程流量超标、水中含有气体或输送管道振动波及等因素都会造成换热管的振动,这些因素如果考虑不周全也会对研究分析结果产生偏差.
通过研究证明,在设计换热器时,合理有效的防振措施可提高管束的固有频率,严格限制折流杆的直径和换热器的通径,降低壳程流体流速,改变换热器的结构,特别是在壳程入口处换热管上方设置挡流板及防冲板等都可以有效降低折流杆换热器的振动.
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[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家
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[6] 严良文,潘雷,阚树林.折流杆换热器数值模拟及性能分
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[7] 宿艳彩.弹性管束流体诱导振动及换热特性研究[D].济南:
山东大学机械工程学院,2012.
(责任编辑 石俊仙)
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