核級換熱設(shè)備流致振動分析

葉泉流，王春霖，郎紅方，謝建華

(中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳518057)

0 引言

換熱器在核電站中應(yīng)用十分廣泛，隨著科技的發(fā)展與實踐經(jīng)驗的積累，一些綜合性能較好的換熱器類型也已經(jīng)開始在核電站中應(yīng)用。整圓形孔板縱流型管殼式換熱器就是其中之一，其非常大的一個優(yōu)點(diǎn)是減少換熱管束的流致振動。然而即使如此，流致振動依然會對該類型的換熱器帶來不小的影響，更由于核級設(shè)備在功能上的重要性，相關(guān)的要求也比較高，該問題便更加受到重視。本文從核級換熱設(shè)備的要求出發(fā)，以水－水無相變換熱整圓形孔板縱流管殼式換熱器為背景，對其在管束流致振動方面的問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，促進(jìn)其在核電行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展。

1 機(jī)理分析

水－水無相變熱交換管殼式換熱器流致振動機(jī)理可分為:漩渦脫落、紊流抖振、流體彈性激振三個方面。

1.1 漩渦脫落

當(dāng)流體橫掠換熱管時，雷諾數(shù)達(dá)到一定程度，管子背面兩側(cè)將產(chǎn)生周期性漩渦尾流，管束因漩渦脫落引起的振幅隨流體掠過管束流速的不同而不同，如圖1所示，流速較低時，振幅接近線性增大，隨后則呈現(xiàn)迅速上升的特性，當(dāng)達(dá)到漩渦脫落流速Vv時，漩渦脫落頻率與換熱管固有頻率吻合，換熱管振動強(qiáng)烈，振幅達(dá)到第一個高峰，之后隨著流速的繼續(xù)增大，這種共振現(xiàn)象就會消失。

1.2 紊流抖振

紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷給管子能量，當(dāng)其主頻率與管子固有頻率相近或相同時，管子吸收能量并產(chǎn)生振動。一般認(rèn)為，管子間距較小時，紊流抖振的影響是主要的，并且其影響頻率范圍小于88 Hz［1］。因此，當(dāng)所研究或校核換熱管段所在區(qū)域的固有頻率大于88 Hz時，不考慮紊流抖振的影響。

1.3 流體彈性激振

按照流體彈性激振的機(jī)理，處在流場中的物體會因為各種各樣的外界擾動而引起微小的振動，物體振動又引起流場的振蕩。振蕩流場對振動物體做正功，會使得振動加劇。如圖1，流速達(dá)到臨界橫流速度Vc時，振幅出現(xiàn)第二個高峰，該狀態(tài)主要由流體彈性失穩(wěn)引起。評估管束的流體彈性振動壽命主要是確定流體彈性的穩(wěn)定性邊界，一旦超出穩(wěn)定性邊界，則管子會發(fā)生劇烈振動而破壞。這些現(xiàn)象將會導(dǎo)致管束的巨大破壞。

圖1 管束振幅隨流速變化響應(yīng)圖

1.4 校核判據(jù)

為了避免這些現(xiàn)象，設(shè)計校核過程中需應(yīng)用如下判據(jù)［1－2］:

(1)當(dāng)fn/fs＜2或fn/ftb＜2時，因漩渦脫落或紊流抖振引起的管束振動將會嚴(yán)重，此時需要計算管束振幅，并推薦將(因漩渦脫落或紊流抖振引起的)振幅控制在小于等于管外徑2%的范圍內(nèi);

其中:fn為管束的固有頻率;fs為漩渦分離頻率;ftb紊流抖振頻率。

(2)為了避免出現(xiàn)流體彈性失穩(wěn)，必須將橫流速度保持在臨界橫流速度Vc以下。

在滿足以上判據(jù)的情況下，換熱器在流致振動方面的設(shè)計才滿足安全要求，才能減小前文中提到的流體誘導(dǎo)振動的影響。

2 流體誘導(dǎo)振動分析

2.1 薄弱環(huán)節(jié)

整圓形孔板縱流管殼式換熱器，其殼側(cè)流體流向在大部分區(qū)域與管束軸向一致，除非流速特別高，一般可以不考慮其振動破壞影響，相反適當(dāng)輕微的振動反而會強(qiáng)化傳熱。這些區(qū)域內(nèi)管束不需要再像弓形折流板換熱器那樣經(jīng)受流體橫掠或斜掠，提高了抗震性能。

然而盡管如此，還是會有部分區(qū)域經(jīng)受流體橫掠或斜掠，其管束振動的影響依然需要考慮。作為該類型換熱器流致振動方面的薄弱環(huán)節(jié)，針對不同的換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)分析如下:

(1)U型彎管段 該部分固有頻率低，對流體誘導(dǎo)振動較直管段敏感;

(2)殼側(cè)接管進(jìn)出口區(qū)域 流體在殼側(cè)進(jìn)出口區(qū)域依然橫掠管束;

(3)管板區(qū)域 該區(qū)域無支撐管跨距可能較長，導(dǎo)致管束固有頻率較低，且該區(qū)域是殼側(cè)接管進(jìn)出口區(qū)域，為防止有害振動影響的重要區(qū)域;

(4)其他區(qū)域 如果有其他結(jié)構(gòu)，另行分析。

對于以上薄弱區(qū)域，應(yīng)該引起注意，需要進(jìn)一步作流致振動影響的校核計算，以將振動頻率與振幅控制在校核判據(jù)的范圍內(nèi)。

2.2 校核計算

校核計算主要分為橫流參考速度、換熱管固有頻率、臨界流速、紊流抖振頻率及漩渦脫落頻率，下面提供相關(guān)的計算方法與過程。

2.2.1 橫流參考速度

橫流參考速度在計算漩渦脫落頻率、振幅等及與臨界流速的比較中均要用到，是流致振動分析方法中最重要的參數(shù)之一。橫流參考速度的計算需要分區(qū)域進(jìn)行，即針對上述各薄弱環(huán)節(jié)分別計算間隙流速，并需考慮在各自區(qū)域中換熱管附近的最大流速作為各區(qū)域的橫流參考速度參數(shù)。

2.2.2 固有頻率

換熱管的固有頻率是一個很重要的參數(shù)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，有如下計算式［1］:

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——無支撐管跨距;

ω0——單位長管子的有效重量;

Cu——U型管形式系數(shù);

R——U型管平均彎管半徑。

2.2.3 流體彈性失穩(wěn)

流體彈性激振是對換熱管破壞最嚴(yán)重的因素，臨界流速為［1］

式中d0——管子外徑;

D——臨界流速系數(shù)。

2.2.4 漩渦脫落誘導(dǎo)振動

由漩渦脫落引起的管束振動，伴隨著其頻率與換熱管固有頻率的接近或吻合而產(chǎn)生，漩渦脫落頻率計算式為［1］

式中V——橫流速度;

S——斯特哈羅數(shù)。

漩渦脫落引起換熱管振動的峰值振幅yvs計算式可表述如下［1，3］:

式中CL——升力系數(shù)。

2.2.5 紊流抖振

紊流抖振頻率表達(dá)式如下［1］:

pt——縱向的換熱管中心距;

pl——橫向的換熱管中心距。

換熱管紊流抖振峰值振幅ytb計算式［1，3］

式中CF——流體力系數(shù)。

通過以上計算過程，便可得到1.4節(jié)中提到的頻率fn、fs、ftb，振幅yvs、ytb、臨界流速Vc及橫流參考速度V，進(jìn)而判斷所設(shè)計核級換熱設(shè)備在流致振動問題上是否滿足要求。

2.3 設(shè)計考慮

遇到設(shè)計的換熱器在校核過程中不通過的情況，或者在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，要對所設(shè)計換熱器進(jìn)行改進(jìn)。針對整圓形孔板縱流型管殼式換熱器，根據(jù)上述分析，可從以下幾方面考慮:(1)U型管彎管段增加支撐;(2)進(jìn)出口區(qū)域應(yīng)降低流速，增加支撐或采用特殊支撐，設(shè)置導(dǎo)流筒等;(3)增加換熱管壁厚、管徑、管間距，選擇合適材料。

當(dāng)然，還有其他方法可以解決上述問題，特殊問題特殊對待，這里不再展開。實際上，上述方法歸根結(jié)底就是要提高換熱管固有頻率，減小漩渦脫落與紊流抖振的頻率，減小橫流速度，提高臨界流速，以及減小換熱管振幅，使得換熱器回歸到設(shè)計與運(yùn)行的安全邊界內(nèi)。

3 標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)與探討

TEMA標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外比較公認(rèn)，使用比較廣泛，其內(nèi)容上的更新與改進(jìn)值得關(guān)注。

在流致振動方面(同本文相關(guān)的)99版TEMA同88版TEMA［5］及99版GB151［2］相比主要是增加了V－11章，增加了漩渦脫落與紊流抖振引起的換熱管振幅公式，給出了相應(yīng)的系數(shù)參數(shù)表。TEMA標(biāo)準(zhǔn)推薦的計算公式(4)與式(6)分別根據(jù)受迫振動理論對受漩渦脫落機(jī)理控制的振動振幅及根據(jù)隨機(jī)振動理論對受紊流抖振機(jī)理控制的振動振幅兩種表達(dá)式簡化而得，其前提是流速為均勻分布，但實際上換熱器內(nèi)部流速分布十分復(fù)雜，局部區(qū)域的高流速將導(dǎo)致該區(qū)域管子的大振幅，具體的精確計算方法參見文獻(xiàn)［5］。

在此基礎(chǔ)上，99版TEMA V－11章中還給出了振幅控制范圍，并建議在頻率核算不通過時，再按照式(4)和式(6)計算振幅，在判據(jù)范圍內(nèi)則可視為安全。楊仁安等［6－7］在核電站熱交換器鈦傳熱管振動試驗研究中認(rèn)為，在其試驗條件下，該判據(jù)的設(shè)定是適用的。此外，在應(yīng)用HTRI中Xist模塊對換熱管流致振動進(jìn)行計算時提出了比TEMA標(biāo)準(zhǔn)更為保守的限制條件，可作進(jìn)一步探討，詳見文獻(xiàn)［8］。

需要注意的是，式(4)、式(6)這兩個振幅公式只適用于簡支管，對于其他類型的支撐條件則需要改變簡支管的振型表達(dá)式［9］，然后再進(jìn)行簡化，進(jìn)而校核更加合理。

4 結(jié)語

針對核級換熱設(shè)備的一種——整圓形孔板縱流型管殼式換熱器在核電站中的應(yīng)用，分析了換熱管流致振動機(jī)理，基于TEMA標(biāo)準(zhǔn)提供了流致振動校核方法、判據(jù)及過程;針對該類型換熱器指出了其在流致振動方面的薄弱環(huán)節(jié)及相應(yīng)的設(shè)計考慮;分析了99版TEMA較88版TEMA及99版GB151在流致振動判據(jù)上的改進(jìn)之處，可為該類型換熱器在核電站中的設(shè)計與應(yīng)用作參考。

［1］Standard of TEMA［S］.8thEdition，1999.

［2］管殼式換熱器:GB151［S］.1999.

［3］Standifier，J.B.Guidelines for Flow Induced Vibration Prevention in Heat Exchangers［R］.WRC Bulletin 1992，(372):1－27.

［4］Standard of TEMA［S］.7thEdition，1988.

［5］Au－Yang，M.K.Turbulent Buffetting of a Multi－span Tube Bundle［J］.Trans.of ASME，Journal of Vibration，Acoustic，Stress and Reliability in Design.1986，108(4):150－154.

［6］楊仁安，姚偉達(dá).核電廠熱交換器傳熱管流致振動試驗研究［J］.中國核科技報告，1997(31):1－16.

［7］范靜龍，楊仁安.換熱器傳熱管流體誘導(dǎo)振動的計算及PIPO1程序介紹［J］.石油化工設(shè)備，1996，25(6):27－31.

［8］郎紅方，葉泉流，等.核2、3級管殼式換熱器管束流致振動分析方法探討［J］.核動力工程，2011，32(S1):155－157.

［9］聶清德，段振亞，等.關(guān)于TEMA標(biāo)準(zhǔn)《流體誘發(fā)振動》若干問題的討論(一)［J］.壓力容器，2004，21(11):1－4.