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流體引發換熱器管束振動機理與防振

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:882时间:2019-12-04

摘要:對管殼式換熱器管束常見的振動破壞形式進行了回納,對管束振動的機理進行了分析,並提出了相應的防振措施。    關鍵詞:管殼式換熱器 管束 振動 防振措施  隨著石油 、化學、動力產業的大型化和原子能產業的發展,管殼式換熱器的尺寸趨於大型化,折流板間距隨之增大,與此對應的是管束的剛性降低了。為了進步生產效率,增加傳熱係數,殼程流體的速度往往很大。加之運行工況不穩定等身分的影響,經常引發換熱器管束發生流體引誘振動,造成換熱器局部失效甚至整體報廢,給工廠帶來巨大損失。目前已引發世界各國的普遍重視。針對這類情況,本文在分析管殼式換熱器管束振動機理的基礎上,有針對性地提出了防振措施 。   換熱器的振動破壞形式  隨著流體的活動,換熱器內的傳熱元件總會產生一些微小的振動,這並不會導致損壞。隻有當流體引發振動的頻率與傳熱元件的固有頻率一致或相當接近時,傳熱元件的振幅激增,才導致破壞。通常,傳熱管是換熱器中撓性最大的部件,對振動也最敏感。是以,大多數振動破壞都是換熱器管束的機械損壞。在實際工程中常見的破壞形式首要有以下幾種:  . 撞擊破壞    當管子振動的振幅大到足以使相鄰管子互相撞擊,或邊沿管不斷擊打殼體,在管子的撞擊部位將產生特有的菱形磨損形式,管壁不斷減薄而至最後開裂。  .2 擋板損傷    為了便於安裝,一般擋板開孔較管子直徑略大,當擋板較薄時,管子振動會在管壁與擋板孔邊沿之間產生較高的接觸力,對管子有一種鋸割感化,短時間內即可將管子切開發生局部失效。  .3 接頭泄漏 管子與管板的連接處是換熱器中十分首要的結構,然而在工程實際中,由於管子振動使管子與管板連接處受力較大,從而導致脹接或焊接點的損壞,造成泄漏 。 .4 應力疲憊   管子振動的振幅較大時,管子反複彎折的扭彎應力較高,長時間的連續振動會使管子斷裂。這類損傷還會由於腐蝕感化而加速 。 .5 冶金失效   振動使換熱管產生交變應力,導致管子表層的氧化層脫落,管子表麵留下坑點。在坑點處引發應力集中,導致管子失效,縮短了管子壽命。 .6 材料缺陷擴展   振動所引發的應力脈動會使管材中的微觀缺陷擴展,乃至產生大裂紋,終究使管子受到破壞。 2 流體引發換熱器管束振動機理 管殼式換熱器管束振動首要是由殼程流體活動所引發的,而管程流體活動的影響可忽略不計。產生振動的振源為流體穩定活動產生的振動,流體速度的波動,通過管道或其它連接件傳播的動力機械振動等,橫向流是流體引誘管束振動的首要根源 。 2. 漩渦脫落引誘振動  當流體橫掠換熱管時,假如活動雷諾數大到一定程度,在其兩側的下遊交替發生漩渦,形成周期性的漩渦尾流,導致圓管上的壓力分布也呈周期性變化。圓管兩側的靜壓不同,產生一個垂直於活動方向的升力,其大小與方向隨漩渦的脫落而不斷變化。正是由於這類升力的交替變化,導致了圓管與流體活動方向垂直的振動。同樣,由於漩渦的脫落也使活動阻力發生交替性變化,從而導致圓管在流體活動方向上的振動。圓管的振動頻率與漩渦的脫落頻率有關,但理論上求解漩渦脫落頻率相當困難,是以工程實際中一般用strouhal數來確定漩渦脫落的頻率。漩渦脫落的頻率為: fv=SU0/D 式中 fv———漩渦脫落的頻率,Hz    U0———來流速度,m/s    D———圓柱體直徑,m;非圓柱體時為垂直於來流的最大寬度 因而可知,當管徑一定時,流速越大流體引誘振動頻率越大。當漩渦脫落頻率接近或即是管子固有頻率時,就會產生強烈的振動。 2.2 紊流抖振   紊流抖振是一個由隨機力感化的衰減振動,管子僅在其固有頻率四周產生響應,振動的峰值出現在脈動力的主頻率與管子的固有頻率重合的地方。脈動力的主頻率fb為:

式中 fb———紊流脈動的頻率,Hz    U———相鄰兩管間的流體均勻速度,m/s    d0———管子的外徑,m    T———管束的橫向管間距,m    L———兩個連續管排間的中間線間隔,m紊流脈動的頻率範圍較寬且具有很強的隨機性。由紊流抖振而引發的振動不很規律,較少導致大範圍的共振響應。紊流抖振不是導致管子破壞的首要啟事,而是產生流體彈性激振的首要身分。 2.3 流體彈性激振 換熱器內密集的管束中,任何一根管子的活動都會改變四周的流場。流場的改變則使感化在相鄰管子上的流體發生相應的改變,從而使受力感化的管子發生振動,從而進一步改變了感化在其中的流體力 。一根管子的位移會對相鄰的管子施加流體力而使其也產生位移 。這類流體力與彈性位移的相互感化就叫做流體彈性激振。它一般是在已有其它機理引發起管子活動的情況下產生的。其特點是流體速度一旦超過某一臨界速度值並稍有增加時,振幅即有大幅度增加,若阻尼不太大時,形成的振幅將一向增大到管子互相碰撞。這類振動在流體速度減小到遠低於初始速度時仍會持續。研究表明,流體速度較低時,振動可能由漩渦脫落或紊流抖振引發,而在速度較高區域,引發振動機理首要是流體激振。 2.4 聲共叫 當流體的激振頻率接近於換熱器內空氣的柱振動的固有頻率時,就會在換熱器內產生聲共叫。其產生的啟事是在一定條件下,卡曼漩渦的漩渦脫離會激起室壁之間的某階駐波,這類駐波在管殼之間往返反射,不斷向外傳播能量,卡曼漩渦卻不斷輸進能量。當卡曼漩渦頻率fv與聲學駐波頻率fa之比在0.8~.2範圍內時,氣室內可能產生強烈的聲學共振和噪音。當殼程流體是液體時,由於液體的音速極高,這類振動不會產生。 2.5 脈動流引發振動   流體脈動引發的管子振動屬於強迫振動。由脈動流引發的換熱器內振動目前還很少有人進行完整的理論探討與實驗,但是這類振型無論在理論上還是在實踐上都具有相當首要的意義。 3 振動的防止與有效利用 換熱器內流體引誘振動的機理相當複雜,能夠有效地防止振動的完整的設計準則尚未建立起來。這就需要在運行過程中根據不同的操縱情況,采用不同的措施來防止換熱器的振動 。振動是不可避免的但是稍微的振動不但不會帶來損壞,而且還有強化傳熱和減少結垢的感化。但是強烈的振動應當采取必要的防振措施以減緩振動,避免換熱器振動破壞。抗振的根本途經是激振力頻率盡量避開管子的固有頻率。工程實踐中常采用以下的抗振措施:  ()擬定公道的開停工程序,加強在線監測,嚴格控製運行條件,在流體進口前設置緩衝板或導流筒,既可以避免流體直接衝擊管束,降低流速,又可以減小流體脈動。   (2)降低換熱器殼側流體速度是防止管束振動的最直接的方法。由於當傳熱元件的固有頻率不變時,降低流速,可使流體脈動的頻率降低,從而避免共振的產生,但同時傳熱效率也會隨之降低。   (3)進步傳熱元件的固有頻率是防止振動的另一個關鍵身分,減少跨距與有效質量,增加材料的彈性模量與慣性矩,都可以進步傳熱元件的固有頻率。適當增大管壁厚度、增大圓管直徑和折流板厚度,折流板上的管孔與管子采用緊密配合,間隙不要過大,可以優化結構設計等。   (4)改變管束撐持形式,采用新型的縱向流管束撐持,例如折流杆式、空心環式、整圓形異形孔折流板,還可以用折流帶或折流棒來代替折流板等。這些方法都可以有效地防止管束振動。 4 結語   振動題目最好是在事前預防,而不是待振動出現後再往修正 。這就要求我們能在設計過程中充分考慮各種身分,隻有如許才能使設計的產品更加完善,操縱使用更加安全可靠。頁

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