管殼式換熱器管束流致振動(dòng)實(shí)例分析

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

流致振動(dòng)會(huì)引起換熱器的額外壓力損失、噪聲和傳熱元件的破壞，迄今國(guó)內(nèi)外的大型換熱器因振動(dòng)而導(dǎo)致破壞的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，破壞程度十分驚人，已經(jīng)引起世界各國(guó)的普遍重視。目前，管殼式換熱器管束的流致振動(dòng)問(wèn)題，已經(jīng)成為換熱器設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。現(xiàn)就流致振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行初步探討，并結(jié)合工程實(shí)踐，基于HTRI軟件，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中管束流致振動(dòng)分析方法進(jìn)行研究。

1 管殼式換熱器管束流致振動(dòng)機(jī)理

管殼式換熱器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，有管束上的橫向流、軸向流、旁通流等；管束兩端的進(jìn)出口有滯留區(qū)。各流路流體的流速和方向不斷地發(fā)生不規(guī)則的變化，使傳熱管處在不均勻的力場(chǎng)中，受到流體流動(dòng)的各種激發(fā)力的作用，極易產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)流致振動(dòng)的頻率與換熱器的固有頻率接近時(shí)，換熱器就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。流致振動(dòng)的機(jī)理可歸納為以下幾點(diǎn)。

1.1 卡門(mén)漩渦

當(dāng)流體橫掠換熱管時(shí)，如果流動(dòng)雷諾數(shù)大到一定程度，在其兩側(cè)的下游交替發(fā)生漩渦，形成周期性的漩渦尾流，致使圓管上的壓力分布也呈周期性變化。圓管兩側(cè)的靜壓不同，產(chǎn)生一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的升力，其大小與方向隨漩渦的脫落而不斷變化。正是由于這種升力的交替變化，導(dǎo)致圓管與流體流動(dòng)方向垂直的振動(dòng)。同樣，由于漩渦的脫落也使流動(dòng)阻力發(fā)生交替性變化，從而導(dǎo)致圓管在流體流動(dòng)方向上的振動(dòng)。圓管的振動(dòng)頻率與漩渦的脫落頻率有關(guān)，但理論上求解卡門(mén)漩渦頻率相當(dāng)困難，工程實(shí)際中一般用Strouhal數(shù)來(lái)確定卡門(mén)漩渦的頻率。當(dāng)管徑一定時(shí)，流速越大流體流致振動(dòng)頻率越大；當(dāng)卡門(mén)漩渦頻率接近或等于管子固有頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。

1.2 紊流抖振

紊流抖振是一個(gè)由隨機(jī)力作用的衰減振動(dòng)，管子僅在其固有頻率附近產(chǎn)生響應(yīng)，振動(dòng)的峰值出現(xiàn)在脈動(dòng)力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。紊流脈動(dòng)的頻率范圍較寬且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動(dòng)不很規(guī)律，較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因，而是產(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定性激振的重要因素。

1.3 流體彈性不穩(wěn)定性

換熱器內(nèi)密集的管束中，任何一根管子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)改變周圍的流場(chǎng)，流場(chǎng)的改變則使作用在管子上的流體發(fā)生相應(yīng)的改變，從而進(jìn)一步改變作用在管子上的流體力，這種流體力與彈性位移的相互作用就叫做流體彈性不穩(wěn)定性，它一般是在已有其他機(jī)理誘發(fā)起管子運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生的。其特點(diǎn)是，流體速度一旦超過(guò)某一臨界速度值并稍有增加時(shí)，振幅即有大幅度增加，若阻尼不太大時(shí)，形成的振幅將一直增大到管子互相碰撞。且這種振動(dòng)在流體速度減小到遠(yuǎn)低于初始速度時(shí)仍會(huì)持續(xù)。研究表明，流體速度較低時(shí)，振動(dòng)可能由卡門(mén)漩渦或紊流抖振引起，而在速度較高區(qū)域，誘發(fā)振動(dòng)主要是流體彈性不穩(wěn)定性。

1.4 聲振動(dòng)

當(dāng)流體的激振頻率接近于換熱器內(nèi)空氣柱振動(dòng)的固有頻率時(shí)，就會(huì)在換熱器內(nèi)產(chǎn)生聲共鳴。其產(chǎn)生的原因是，在一定條件下，卡門(mén)漩渦的漩渦脫離會(huì)激起室壁之間的某階駐波，這種駐波在管殼之間來(lái)回反射，不斷向外傳播能量，卡門(mén)漩渦卻不斷輸入能量。當(dāng)卡門(mén)漩渦頻率與聲學(xué)駐波頻率之比在0.8～1.2范圍內(nèi)時(shí)，氣室內(nèi)可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲學(xué)共振和噪音。當(dāng)殼程流體是液體時(shí)，由于液體的音速極高，這種振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生。

2 基于HTRI的管束振動(dòng)分析

在國(guó)標(biāo)GB151附錄E及TEMA標(biāo)準(zhǔn)中，均附有關(guān)于管束流致振動(dòng)的計(jì)算公式及判定準(zhǔn)則，標(biāo)準(zhǔn)中所附方法簡(jiǎn)單，但手工計(jì)算時(shí)計(jì)算量比較大，并且需要查閱很多圖表，這樣造成了計(jì)算的復(fù)雜性，其準(zhǔn)確性也很難把握，換熱器各個(gè)部位的流場(chǎng)情況也很難預(yù)測(cè)，導(dǎo)致手工計(jì)算十分困難。目前國(guó)內(nèi)外各設(shè)計(jì)院和工程公司均使用軟件進(jìn)行流致振動(dòng)分析，國(guó)際上比較流行的計(jì)算程序有美國(guó)傳質(zhì)及傳熱協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的HTRI，及ASPEN TECH公司的EDR(整合自己公司開(kāi)發(fā)的B-JAC及收購(gòu)的HTFS而成)。本文基于HTRI6.0軟件的Xist和Xvib模塊對(duì)管殼式換熱器管束流致振動(dòng)進(jìn)行分析和研究。

2.1 HTRI-Xist

HTRI-Xist可用于管殼式換熱器的設(shè)計(jì)、性能分析和模擬計(jì)算，在進(jìn)行熱工水力計(jì)算的同時(shí)，用多種實(shí)用的方法對(duì)換熱器各關(guān)鍵部位進(jìn)行全面的振動(dòng)計(jì)算。Xist程序根據(jù)流致振動(dòng)檢查邏輯流程(如圖1和圖2所示)，對(duì)換熱器中易于誘發(fā)振動(dòng)的部位進(jìn)行傳熱管的固有頻率和各種振動(dòng)機(jī)理的激振頻率以及臨界流速等有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 管束振動(dòng)檢查邏輯流程圖

圖2 管束聲振動(dòng)檢查邏輯流程圖

在邏輯流程圖1中，r1和r2檢查流體彈性不穩(wěn)定性激振情況，r3、r4和r5檢查流體卡門(mén)漩渦情況，在HTRI 5.0及之前的版本中，Xist要進(jìn)行紊流抖振的校核，包括紊流抖振頻率與管束固有頻率比值和紊流抖振振幅與傳熱管直徑比值兩步驟，而在HTRI6.0版本中，認(rèn)為紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因，因此已經(jīng)不將紊流抖振列為檢查內(nèi)容，但是在圖2聲振動(dòng)的檢查過(guò)程中會(huì)進(jìn)行計(jì)算并分析。

Xist的振動(dòng)分析報(bào)告(Reports/Vibration)將計(jì)算結(jié)果主要分為換熱器進(jìn)口、中間和出口區(qū)域三個(gè)部分，主要數(shù)據(jù)包括：

(1)管束跨距；

(2)管束跨距與TEMA允許最大無(wú)支撐長(zhǎng)度的比值(TEMA允許最大無(wú)支撐長(zhǎng)度由軟件根據(jù)傳熱管材料自動(dòng)獲取)；

(3)傳熱管第一階固有頻率(最小值用+表示)；

(4)殼體聲頻(最小值用+表示)；

(5)窗口平行流，管束錯(cuò)流和管束與殼體之間C流的流速；

(6)流體彈性不穩(wěn)定性激振的檢查結(jié)果——平均錯(cuò)流或B流和臨界錯(cuò)流流速，作為對(duì)比，折流板邊緣處的錯(cuò)流流速也給出；

(7)聲振動(dòng)檢查結(jié)果——卡門(mén)漩渦和紊流抖振比率(與傳熱管固有頻率的比值)；

(8)單管振動(dòng)校核——卡門(mén)漩渦比率，平行流振幅，錯(cuò)流振幅，管間隙和錯(cuò)流ρv2；

(9)管束進(jìn)出口振動(dòng)分析(指殼側(cè)流體，基于傳熱管第一階固有頻率)；

(10)殼側(cè)進(jìn)出口相關(guān)參數(shù)。

Xist的分析基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)結(jié)果較為保守。Xist振動(dòng)分析報(bào)告顯示無(wú)流致振動(dòng)問(wèn)題時(shí)可認(rèn)為該方案振動(dòng)分析通過(guò)，當(dāng)顯示有潛在的流體彈性不穩(wěn)定性和卡門(mén)漩渦振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，會(huì)在振動(dòng)分析報(bào)告中將可能產(chǎn)生振動(dòng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)用星號(hào)注以標(biāo)記，并在Runtime Messages中給出報(bào)警信息，此時(shí)應(yīng)根據(jù)報(bào)警情況更改設(shè)計(jì)重新計(jì)算，或者采用Xvib模塊對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域單根傳熱管進(jìn)行更為精確的計(jì)算和分析。

2.2 HTRI-Xvib

HTRI-Xvib程序?yàn)橛邢拊Y(jié)構(gòu)分析軟件，計(jì)算引擎是由Ontario Hydro基于該公司H3DMAP程序的流致振動(dòng)模型而開(kāi)發(fā)的。Xvib的主要功能和特點(diǎn)有如下幾方面：

(1)進(jìn)行換熱器管束中單根傳熱管的流致振動(dòng)分析；

(2)應(yīng)用三維結(jié)構(gòu)有限元分析方法計(jì)算傳熱管固有頻率；

(3)可靈活地設(shè)定支撐位置和支撐類型；

(4)可用于分析直管和U形管(跨數(shù)可大于100)；

(5)評(píng)估流體彈性不穩(wěn)定性激振和卡門(mén)漩渦流致振動(dòng)情況；

(6)可計(jì)算高階模態(tài)并給出相關(guān)計(jì)算結(jié)果和振幅圖。

在Xist/Drawings/Tube layout中，右鍵點(diǎn)擊管束區(qū)域，點(diǎn)擊Show Xvib Velocity States，將危險(xiǎn)區(qū)域的管束分為三種顏色——黃色、紅色和橙色，分別表示將管束進(jìn)口流速、殼體進(jìn)口流速和管束出口流速導(dǎo)入Xvib進(jìn)行該傳熱管的振動(dòng)分析。

右鍵點(diǎn)擊Tube layout中需要進(jìn)行分析的傳熱管，點(diǎn)擊Create Xvib Case for Select Tube，將Xist中該傳熱管相關(guān)的熱工數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)十分方便地導(dǎo)入到Xvib計(jì)算文件中，在HTRI5.0及之前的版本中，此處只可以導(dǎo)入熱工數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，而各個(gè)跨距的流速數(shù)據(jù)需要用戶自行去Xist中提取輸入，非常繁瑣，HTRI6.0的這項(xiàng)改進(jìn)，使得應(yīng)用Xvib進(jìn)行管束振動(dòng)分析更為便捷。用戶也可以直接打開(kāi)Xvib模塊，自行輸入所需參數(shù)進(jìn)行分析，程序運(yùn)行邏輯如圖3所示。

圖3 Xvib程序邏輯流程圖

Xvib計(jì)算報(bào)告給出各階固有頻率、間隙流速與臨界間隙流速的比值、最大卡門(mén)漩渦振幅及不同模態(tài)下的振幅圖等。HTRI公司認(rèn)為，間隙流速與臨界間隙流速的比值小于1，可認(rèn)為無(wú)流體彈性不穩(wěn)定性激振問(wèn)題；最大卡門(mén)漩渦振幅小于50%的管間隙可認(rèn)為無(wú)卡門(mén)漩渦激振問(wèn)題，如超出以上判定準(zhǔn)則，可根據(jù)報(bào)告所示位置進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)整并重新計(jì)算。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 Xist設(shè)計(jì)及分析

表1 某管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

表1為某換熱器設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，換熱器為BFU形式，其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)為：殼體內(nèi)徑1 547 mm；換熱管材料為T(mén)P304L，尺寸為φ19.05×1.24 mm，管長(zhǎng)7 578 mm；折流板為雙弓形，折流板缺口25%，折流板間距360 mm，進(jìn)口折流板間距為812 mm；殼程進(jìn)口設(shè)有防沖板。Xist計(jì)算結(jié)束后，在Runtime Messages中有如下報(bào)警信息：

Shell entrance velocity exceeds critical velocity，indicating a probability of fluidelastic instability and flow-induced vibration damage.If present, fluidelastic instability can lead to large amplitude vibration and tube damage.

在振動(dòng)分析報(bào)告中，殼側(cè)進(jìn)口流速標(biāo)記星號(hào)，表明該流速已經(jīng)超過(guò)了80%的臨界流速，可能存在流體彈性不穩(wěn)定性振動(dòng)問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，將進(jìn)口折流板間距改為800 mm，運(yùn)行軟件后報(bào)警消除，表明修改方案是可以接受的。

圖4 殼側(cè)與管束進(jìn)口流速示意圖

3.2 Xivb分析方法

如圖4所示，殼側(cè)流速為殼體和防沖板之間的流速，而真正對(duì)管束振動(dòng)起主要作用的是管束進(jìn)口流速，筆者認(rèn)為，Xist用殼側(cè)流速與臨界流速比值進(jìn)行評(píng)判過(guò)于保守，因此用Xvib對(duì)進(jìn)口折流板間距為812 mm的方案進(jìn)行詳細(xì)的分析。右鍵點(diǎn)擊Xist/Drawings/Tube layout中紅色標(biāo)記傳熱管，生成Xvib文件并運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2中間隙流速與臨界流速比值和最大卡門(mén)漩渦振幅均小于2.2節(jié)中所述判定準(zhǔn)則，實(shí)例分析表明，Xist的分析結(jié)果偏保守，該設(shè)計(jì)方案無(wú)需調(diào)整進(jìn)口折流板間距也是可以接受的。在Graphs/Tube Displacement中可以看到不同模態(tài)下的傳熱管各個(gè)位置的振幅，如圖5所示。

表2 管束振動(dòng)情況采用Xivb法的計(jì)算結(jié)果

圖5 不同模態(tài)下傳熱管各個(gè)位置的振幅示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

基于HTRI軟件可以很方便地進(jìn)行管殼式換熱器管束流致振動(dòng)分析。HTRI-Xist能夠在進(jìn)行熱工水力計(jì)算的同時(shí)，用多種實(shí)用的方法對(duì)換熱器關(guān)鍵部位進(jìn)行全面的振動(dòng)分析，分析結(jié)果較為可靠，但偏于保守；HTRI-Xvib為三維有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，可以分析多階模態(tài)下單根傳熱管的流致振動(dòng)情況，分析結(jié)果較HTRI-Xist更為精確。HTRI-Xist分析通不過(guò)的情況，可采用HTRI-Xvib進(jìn)行更為精確的計(jì)算，從而判斷是否能通過(guò)；此外，HTRI-Xvib還可以進(jìn)行增加支撐條等其他管束支撐方案的流致振動(dòng)分析。

參考文獻(xiàn)：

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