異型換熱管模態(tài)試驗(yàn)研究

張玉禎，廖佰鳳，周 丹

（1.東方電氣 （廣州）重型機(jī)器有限公司，廣東 廣州 511455；（2.廣州創(chuàng)依科技有限公司，廣東 廣州 511455）

管殼式熱交換器在電力、化工及新能源等行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，換熱管是管殼式熱交換器的關(guān)鍵部件，也是管殼式熱交換器的最薄弱部件。核電站的主設(shè)備蒸汽發(fā)生器和熱交換器有40%出現(xiàn)過換熱管破損事故，成為生產(chǎn)計(jì)劃外停堆的一個(gè)重要原因[1-3]。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和可行研究表明，換熱管的流體誘導(dǎo)振動及相關(guān)的磨損、微動接觸疲勞是換熱管破裂的主要原因[4-8]。熱交換器管束流致振動機(jī)理理論通常包括周期性旋渦脫落、湍流抖振、聲共振和流體彈性幾種[9-13]，其中流致振動與換熱管的固有頻率息息相關(guān)。ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1分卷 附錄 N-1300(2018 年)[13]、TEMA—2019（10th Edition） “Standards of the tubular exchanger manufacturers association”[14]第 6 章節(jié)以及GB/T 151—2014《熱交換器》[15]附錄 C 中均規(guī)定了通用結(jié)構(gòu)熱交換器管束流致振動校核方法。

某些特殊場合使用的管殼式熱交換器用換熱管為非規(guī)則直管或U型管，例如某高溫?zé)峤粨Q器，因使用溫度高，冷、熱源溫差大，為減少管束的熱應(yīng)力和軸向熱膨脹量，管束設(shè)計(jì)為兩端直段、中間為空間彎的異型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13-15]中未給定經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。為開展特殊用途的熱交換器管束流致振動的精確評估，通常需要對管束進(jìn)行動力特性研究[16-20]。

1 異型換熱管模態(tài)試驗(yàn)

1.1 研究方法

針對安裝在某高溫?zé)峤粨Q器內(nèi)部的異型換熱管及其支撐方式，建立1套試驗(yàn)臺架，采用力錘激勵法[20]，測定異型換熱管的固有振動特性，獲得前3階固有頻率和阻尼比等固有參數(shù)數(shù)據(jù)，了解前3階振型。

1.2 試驗(yàn)方法

①采用力錘敲擊法施加振動激勵。②采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)測量的測定方法，即力錘固定點(diǎn)激振，三向加速度傳感器多點(diǎn)拾振，由此可獲得頻響函數(shù)矩陣的完整一列元素。③針對試驗(yàn)件長、測點(diǎn)多的特點(diǎn)，采用單點(diǎn)激振移動測點(diǎn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即同一方向用同樣大小的力敲擊試件的同一點(diǎn)，分別獲得不同點(diǎn)的頻率響應(yīng)。

1.3 試件準(zhǔn)備

1.3.1 整體結(jié)構(gòu)

異型換熱管試件及支撐結(jié)構(gòu)見圖1。試驗(yàn)測試對象是同心圓布置的熱交換器，試件為熱交換器中3根1排的換熱管組及其關(guān)聯(lián)的支承結(jié)構(gòu)、管板、槽鋼。換熱管用304H材料制作，規(guī)格為?16 mm×1.2 mm。換熱管、支承結(jié)構(gòu)采用螺栓或焊接方式固定在槽鋼上，槽鋼點(diǎn)焊在試驗(yàn)平臺上。換熱管及支承結(jié)構(gòu)的尺寸均與工業(yè)裝置熱交換器產(chǎn)品相同，以最大限度還原換熱管實(shí)際支撐和約束狀態(tài)。

圖1 異型換熱管試件及支撐結(jié)構(gòu)示圖

1.3.2 支撐形式

異型換熱管束為兩端平直、中間折彎結(jié)構(gòu)，調(diào)整換熱管支撐間距形成3種換熱管支撐方案，①彎管無支撐。②彎管有支撐。③調(diào)節(jié)直管支撐間距（彎管無支撐），見圖2。

圖2 異型換熱管3種支撐方案

在試件直管段的槽鋼上預(yù)留了3種支承位置所對應(yīng)的螺紋孔，支承結(jié)構(gòu)采用螺栓固定，可以移動至對應(yīng)支承位置。彎管段支承結(jié)構(gòu)采用焊接固定在槽鋼上，在槽鋼上預(yù)留支承位置對應(yīng)的固定支架。

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)

異型換熱管模態(tài)試驗(yàn)測試系統(tǒng)組成見圖3，系統(tǒng)由4部分組成，①試件，提供測試對象。②激勵系統(tǒng)，使測試對象產(chǎn)生振動，以力錘為激勵。③測量系統(tǒng)，用傳感器拾取振動信號，并記錄數(shù)據(jù)，在每跨的中間位置布置1個(gè)測點(diǎn)加速度傳感器拾取振動信號。在彎管區(qū)域布置了8個(gè)加速度傳感器，精確地測試彎管區(qū)的振動情況。④模態(tài)分析系統(tǒng)，將激勵信號和響應(yīng)信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣輸入到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過模態(tài)分析軟件識別振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

圖3 異型換熱管模態(tài)試驗(yàn)測試系統(tǒng)示圖

試驗(yàn)時(shí)，力錘敲擊換熱管產(chǎn)生振動激勵，由力錘配套的力傳感器拾取激勵信號，加速度傳感器拾取振動響應(yīng)信號，通過數(shù)據(jù)采集測試儀采樣，采集到信號通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、分析和處理，并保存以便二次處理。

2 異型換熱管模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 分析方法

對異型換熱管的模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用模態(tài)分析理論[14]進(jìn)行分析。模態(tài)分析是計(jì)算固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等模態(tài)參數(shù)的過程。將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)以及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的各種模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。

2.2 分析軟件

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用智能儀器處理。儀器包括數(shù)據(jù)采集與分析儀，其軟件包括數(shù)據(jù)采集和模態(tài)分析兩大功能。

數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集力傳感器及加速度傳感器的時(shí)域信號，對其進(jìn)行傅里葉積分，獲得頻響函數(shù)、相干函數(shù)等數(shù)據(jù)文件[14]。模態(tài)分析軟件具有交互式三維建模功能、振動仿真功能以及模態(tài)參數(shù)識別功能，模態(tài)分析軟件可讀取工程結(jié)構(gòu)的時(shí)頻測試數(shù)據(jù)文件，其測試數(shù)據(jù)可以作為三維仿真運(yùn)動的驅(qū)動數(shù)據(jù)，用以復(fù)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中的振動狀態(tài)。模態(tài)分析軟件采用正交多項(xiàng)式頻響函數(shù)擬合方法，通過有效地?cái)M合測試的頻響函數(shù)，可精確辨識出分析頻段內(nèi)實(shí)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

將數(shù)據(jù)采集軟件輸出的頻響函數(shù)導(dǎo)入到模態(tài)分析軟件，選取分析的頻率段，通過峰值計(jì)算可獲得相應(yīng)的頻率點(diǎn)、阻尼比。還可查看模態(tài)確信指標(biāo)MAC值計(jì)算結(jié)果，MAC值范圍為0～1。對于不同階模態(tài)的2個(gè)向量，MAC值應(yīng)接近于0，對于階數(shù)、模態(tài)相同的2個(gè)向量，MAC值應(yīng)接近1。將模型和模態(tài)分析的數(shù)據(jù)模塊結(jié)合起來便可進(jìn)行仿真分析，可獲得完整振型圖。

2.3 數(shù)據(jù)及分析

2.3.1 固有頻率及阻尼比

經(jīng)模態(tài)分析軟件的后處理，可獲得異型換熱管的固有頻率及阻尼，見表1。

表1 異型換熱管固有頻率試驗(yàn)結(jié)果

對比方案1和方案2的試驗(yàn)結(jié)果可知，彎管處布置支撐對異型換熱管1～3階固有頻率沒有明顯影響，對一階振型的影響是阻尼比比明顯增大，對3階振型的影響是阻尼比明顯減小。對比方案1和方案3，改變支撐間距對固有頻率及阻尼比均無明顯影響。

2.3.2 振型

分別截取異型換熱管1～3階振動在y向和z向的投影，得到的振型圖見圖4～圖6（圖中數(shù)字表示測點(diǎn)的編號和位置），可見3種支撐方案的振型總體是一致的，局部有不同。

圖4 異型換熱管1階振型圖

圖5 異型換熱管2階振型圖

圖6 異型換熱管3階振型圖

1階振動的主振型為xz面外振動，1階振動振幅最大的是彎管區(qū)域，彎管區(qū)域主振動方向在z軸反方向，y軸方向小幅振動，彎管中間水平支撐點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，水平段僅在z軸方向做面內(nèi)運(yùn)動，1階振動振型的最大幅見圖4。

2階振動的振型最大振幅也是出現(xiàn)在彎管區(qū)域，彎管區(qū)域的振動方式是在y軸及z軸方向扭曲運(yùn)動，直管段的主振動為z軸方向的面內(nèi)運(yùn)動，見圖5。

3階振動的最大振幅出現(xiàn)在直管段，直管段是在y、z兩個(gè)方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，2個(gè)彎管段分別在y軸方向和z軸方向做相互垂直的平面振動，見圖6。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與有限元模態(tài)分析對比

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用AbaqusV6.13有限元分析軟件建立梁單元模型，對實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的3種支撐方案下的異型換熱管進(jìn)行模態(tài)分析。模擬過程中，管板位置的約束設(shè)置為固支，直管段波紋鋼帶位置約束設(shè)置為周向和徑向的位移，彎曲管段中平鋼帶位置的約束設(shè)置為徑向位移。

對有限元方法和試驗(yàn)測試得到的1階頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證對比，結(jié)果見表2。

表2 異型換熱管振動1階頻率數(shù)據(jù)驗(yàn)證對比

由表2的對比結(jié)果表明,1階固有頻率在150～170 Hz，有限元模態(tài)分析結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果，最大偏差為11.1%。產(chǎn)生偏差的主要來源是，①試件支撐臺架影響。有限元模態(tài)分析中僅對換熱管模型進(jìn)行分析，而試驗(yàn)中換熱管安裝在槽鋼平臺上，槽鋼平臺又置于試驗(yàn)臺架上，臺架和平臺與換熱管束無法做到理想隔振，測試結(jié)果將受到一定的影響。②測試環(huán)境噪聲。試驗(yàn)現(xiàn)場的環(huán)境振動對測試中振動信號會造成一定程度的干擾，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。③支撐裝配偏差。在試件制造過程中，換熱管與支撐鋼帶的連接方式、裝配尺寸等不可避免地存在制造公差，部分支撐裝配存在間隙，而有限元模型為理想模型，在支撐處為完全約束。

3 結(jié)語

在彎管區(qū)增加2組支撐（方案2）對提高換熱管的固有頻率效果不明顯，而且還增大了管束及支撐組件的裝配難度。方案3在物料進(jìn)出口位置的無支撐跨距雖然較方案1的減小，但對前3階頻率的影響極小，反而由于彎管附近的無支撐跨距變大導(dǎo)致前3階頻率有所降低?？傮w上，3種支撐方案下異型換熱管的同一階振型相近，支撐方案對振型影響不大。試驗(yàn)?zāi)M了換熱管裝配的實(shí)際條件，但受支撐件、環(huán)境噪聲及裝配偏差的影響，與理想的支撐方式有限元分析結(jié)果相比，試驗(yàn)測得的固有頻率普遍偏低，最大偏差為11.1%。在工程設(shè)計(jì)時(shí)需考慮預(yù)留相應(yīng)的裕量，以確保設(shè)備的安全。