固定管板式換熱器管束振動的模擬分析

陳 拓, 王茂廷, 涂 闖

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

固定管板式換熱器管束振動的模擬分析

陳 拓, 王茂廷, 涂 闖

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

換熱器管束振動存在于每個換熱器中，通過分析引發(fā)管束振動的各種誘因，發(fā)現(xiàn)只要使激勵頻率遠離換熱器管束的固有頻率則可有效避免管束的振動。應(yīng)用ProE和Ansys等軟件實現(xiàn)了等效模擬分析。通過對比,發(fā)現(xiàn)為了獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果進行有限元分析是很有必要的。

換熱器; 管束振動; 固有頻率; 共振

隨著石油化工工業(yè)、核動力工業(yè)的發(fā)展,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)越來越規(guī)范，在設(shè)計換熱器時，直徑都已達到2～2.5 m,一方面使質(zhì)量和體積增大了，另一方面為了提高換熱性能, 應(yīng)盡可能地提高流速, 而殼程橫向流速過高就會誘發(fā)換熱器管束振動。據(jù)統(tǒng)計, 在破損失效的換熱器中,由于管束振動引起的占比達到了30%左右， 可見管束振動已成為換熱器損壞的重要誘因。因此如何避免和減小管束振動在石油化工領(lǐng)域有著重要的意義［1］。

1 國內(nèi)外換熱器流體誘發(fā)管束振動的研究現(xiàn)狀

在1970年，由美國的菲利普公司研發(fā)設(shè)計了一種名為折流桿式的換熱器，折流桿起到了固定的作用，同時具有防振、不易結(jié)垢、殼程壓降、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點。其中它的殼程流動以縱向流為主，可以有效地消除換熱器內(nèi)流體誘發(fā)管束振動的根源［2-4］。國內(nèi)的蘭州石油機械也研究了自己的折流桿換熱器、板式換熱器等一系列高效換熱器。山東大學(xué)程林［5］也研究出了螺旋槽管換熱器等新型換熱器。這些成果為促進中國煉油、化工工業(yè)的安全快速發(fā)展發(fā)揮了巨大作用，使中國的在換熱技術(shù)領(lǐng)域跨入了國際先進行列。

換熱器內(nèi)流體誘發(fā)管束振動是一門新興的邊緣學(xué)科，它涉及到流體力學(xué)、振動原理、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)及有限元和壓力容器設(shè)計等多學(xué)科內(nèi)容。流體誘發(fā)管束振動的主要原因有以下四種: 流體彈性激振、湍流抖振、旋渦脫落以及聲共鳴。由此可見,流體誘發(fā)管束振動的特性主要取決于管子系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)阻尼及其流動特性［6］。為了避免出現(xiàn)共振的情況，換熱器都需要進行共振分析，必須使得激勵頻率遠離固有頻率。

2 換熱器的固有頻率

換熱器的最小固有頻率我們可以通過經(jīng)驗公式的計算和模態(tài)分析得到，通過對比得到更符合防振設(shè)計的有效參數(shù)。

2.1 換熱器固有頻率公式

固有頻率是換熱器的一個很重要的參數(shù)，結(jié)構(gòu)不同頻率不同，其計算式如下

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；

w—單位長管子的質(zhì)量；

Cu—U型管形式系數(shù)；

R—U型管平均彎管半徑。

2.2 換熱管簡易模型

如圖1，該換熱器為帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，單殼程六管程，根據(jù)GB151-2012［7］查得換熱管材料為不銹鋼，不銹鋼的機械性能如表1，共有190根換熱管，其截面為φ25×2.5 ，其長度L=2 600 mm，管間距為32 mm，排列方式為正三角形。

圖1 換熱管示意圖Fig.1 Heat exchange tube schematic

表1 不銹鋼的機械性能Table 1 The mechanical properties of stainless steel

2.3 換熱管模態(tài)分析

利用Ansys進行數(shù)值模擬，前處理主要就是建模和網(wǎng)格劃分，如圖2，這在很大程度上決定了計算結(jié)果的可信程度。

圖2 換熱管模態(tài)分析圖Fig.2 Heat exchange tube modal analysis diagram

3 換熱器管束振動的機理

換熱器設(shè)計計算中主要需要換熱管中的橫向流速率、臨界流速、紊流抖振頻率及漩渦脫落頻率等主要參數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)在比較中能遠離管束固有頻率，則管束處于安全運行中。

3.1 橫向流速

除進出口處第一排管的橫向流速采用GB151-2012［7］標(biāo)準(zhǔn)算法計算外,其他區(qū)域的橫向流速都可根據(jù)下式計算

即用流量除以與流動主方向垂直的管束的間隙面積,以此得到管束的平均流速用以后續(xù)計算。

進出口處第一排管的橫向流速可根據(jù)下式計算

3.2 流體彈性失穩(wěn)

殼體內(nèi)產(chǎn)生的流體彈性激振是對換熱管束破壞最嚴重的因素，臨界流速為

式中 : d0—管子外徑；

D —臨界流速系數(shù)。

3.3 漩渦脫落誘導(dǎo)的振動

殼體內(nèi)產(chǎn)生的流體彈性激振是對換熱管束破壞最嚴重的因素，臨界流速為

由于漩渦脫落頻率與換熱管固有頻率的接近或者達到完全吻合而會產(chǎn)生管束的振動，則漩渦脫落頻率的計算公式為

式中:

V—橫流速度;

S—斯特哈羅數(shù)。

漩渦脫落引發(fā)的管束振動的振幅vsy的計算公式如下：

兩端簡支跨距的振幅為：

一端簡支，一端固定支管跨的振幅為：

式中: CL—漩渦脫落升力系數(shù)。

3.4 湍流抖振

湍流中的脈動變化的壓力和速度場不斷給管束提供能量，當(dāng)湍流抖振的主頻率與管子的固有頻率接近時，管子開始吸收激勵產(chǎn)生的能量并產(chǎn)生振動。

湍流抖振頻率的公式表達如下：

式中:

pt—縱向的換熱管中心距;

p1—橫向的換熱管中心距 。

換熱管湍流抖振峰值振幅tby的計算公式：

式中 :CF—流體力系數(shù)。

通過以上計算公式可以分別得到頻率、振幅、臨界流速及橫向流速等各項參數(shù)。根據(jù)以上公式，不難發(fā)現(xiàn)管壁厚度、跨距、管間距等對引發(fā)管束振動起了決定作用，但在設(shè)計過程中，換熱器成本、安裝和使用也是我們需要考慮的，因此，進行換熱器的有限元分析是很有必要的。

4 結(jié)束語

由于流體誘發(fā)管束振動的機理很復(fù)雜，相應(yīng)的防止管束振動的方法也有很多種，首先在防振設(shè)計中，我們可以通過增大管壁厚度，增大管間距，增設(shè)折流板的方法來減小振動。由于設(shè)計過程一般是在理想狀態(tài)下進行的，可見設(shè)計并不是唯一解決問題的方法。減小橫流速率在使用過程中也能減小振動的產(chǎn)生，相應(yīng)的在安裝和維護過程中也有可能引發(fā)管束振動，這些都是我們需要注意的。

我相信隨著進一步的研究和不斷實踐，相應(yīng)的有效設(shè)計準(zhǔn)則終將會產(chǎn)生，從換熱器的選材到對其的加工制造、安裝、使用、、維修都要及時的采取有效措施，保證換熱器的“安全、穩(wěn)定、高效”運行。

［1］ 賴永昌,劉敏珊,董其伍．靜止外部流體對換熱器管束動特性的響分析[J].壓力容器，2005，12(21)：22-25.

［2］ 賴永星,王 珂,等．換熱管與折流板孔之間的間隙對換熱管動特性影響分析[J] . 壓力容器，2007，38(2)：31-35．

［3］ 姜超越,覃新川,周幗彥．管殼式換熱器流體誘發(fā)管束振動設(shè)計究[D]. 上海：華東理工大學(xué),2012.

［4］ 張俊杰,劉紅,陳佐一．換熱器管束流體激振的研究現(xiàn)狀評估及新方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，43(10)：1432-1436.

［5］ 程林. 彈性管束換熱器原理與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2001.

［6］ 王 珂,賴永星,王賀,等．溫度應(yīng)力對換熱器管束動特性的影響分析[J].石油機械，2007，35(3)：16-18．

［7］ GB151-2012 管殼式換熱器[S].

下游聚酯企業(yè)向上游延伸 PTA產(chǎn)業(yè)進入后擴張時代

全球PTA產(chǎn)業(yè)在過去的5年間發(fā)生了天翻地覆的變化。隨著下游聚酯企業(yè)積極將業(yè)務(wù)向上游延伸，中國的PTA產(chǎn)能從2010年的1500萬噸左右猛增至2015年的近4600萬噸，增幅超過200%，當(dāng)前已進入后擴張時代。曾經(jīng)作為全球PTA最大進口國的中國一舉實現(xiàn)了自給自足，并在2015年的4～7月間連續(xù)實現(xiàn)了少量的凈出口。如此劇變令全球，特別是東北亞的PTA產(chǎn)業(yè)遭受了嚴重的沖擊。在國內(nèi)市場上，競爭更是日趨白熱化。

產(chǎn)能增速開始放緩老舊裝置淘汰

當(dāng)前這一波投資潮基本已過頂峰，但未來幾年中仍會有新產(chǎn)能來襲。從今年四季度到明年，漢邦二期(220萬噸/年)和四川晟達(100萬噸/年)將會先后投產(chǎn)。寧夏寶塔石化和新疆昆玉的項目不確定因素尚多，至少存在推遲預(yù)期。此外，據(jù)悉嘉興石化、恒力以及逸盛仍各有一套新裝置或在前期準(zhǔn)備或在醞釀之中。總體來看，產(chǎn)能增速會顯著放緩，但大型新裝置投產(chǎn)對市場的沖擊也不容小覷。激烈的競爭之下，老舊產(chǎn)能的淘汰成為了部分緩解市場壓力的一個頗為無奈的因素。截至2014年年底，國內(nèi)長期閑置或基本關(guān)閉的產(chǎn)能已超過700萬噸/年。進入2015年，紹興遠東石化正式啟動破產(chǎn)程序，又為市場騰挪出了一年200萬噸左右的空間。未來，一些單體產(chǎn)能較小、生產(chǎn)成本較高的老舊裝置存在退市預(yù)期；接連幾年的效益之困也可能迫使部分外商投資企業(yè)作出抉擇；資金面的狀況也還有可能引發(fā)類似遠東石化這樣較大規(guī)模的產(chǎn)能調(diào)整。

需求增速預(yù)期有限出口并非坦途 PTA的需求增長依賴于下游聚酯行業(yè)的表現(xiàn)，而作為成熟產(chǎn)業(yè)，全球主要聚酯品種的需求增速在過去的5年中均呈現(xiàn)出明顯的放緩勢頭，個別環(huán)節(jié)如聚酯短纖還出現(xiàn)過零增長甚至負增長。中國當(dāng)前的聚酯需求超過全球總量的50%.盡管其增速始終高于全球平均水平，但也已從2010年的15%+降至2014的接近4%.2015年上半年在低油價的刺激下，中國的聚酯需求增速出現(xiàn)了明顯的反彈，目前估算全年有望達到甚至超過7%，但其中有必要考慮到下游投機性建庫存所帶來的額外提振。理性地看，需求增速繼續(xù)放緩在未來幾年依舊屬于大概率事件，每年中國新增聚酯需求或?qū)⒈３衷?00萬噸上下，按PTA當(dāng)量計算也就是170萬噸左右。

Analysis of Tube Vibration in the Fixed Tube Plate Heat Exchanger

CHEN Tuo，WANG Mao-ting，TU Chuang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The tube bundle vibration exists in every heat exchanger. By analyzing the inducements of the tube bundle vibration, it’s found that as long as the excitation frequency is away from the natural frequency of heat exchanger tube bundle, the vibration of tube bundle can be effectively avoided. The ProE and Ansys softwares were applied to implement the equivalent simulation analysis. By comparing, it’s found that, in order to obtain more accurate results, the finite element analysis is necessary.

The heat exchanger；Bundle vibration；Natural frequency；Resonance

TQ 052

： A

： 1671-0460（2015）10-2438-03

2015-03-26

陳拓（1988-），男，河北石家莊人，在讀研究生，研究方向：換熱器管束振動。E-mail：470570872@qq.com。