管壳式换热器流体诱发振动机理及防振措施课件.ppt

管壳式换热器流体诱发振管壳式换热器流体诱发振动机理及防振措施动机理及防振措施( (一一) )保定金能公司主要内容主要内容5 5、管壳式换热器防振措施、管壳式换热器防振措施3 3、国内外标准或者计算方法、国内外标准或者计算方法2 2、管束流体诱发振动产生的机理、管束流体诱发振动产生的机理1 1、换热器流体诱发振动的简介、换热器流体诱发振动的简介4 4、我国标准关于管束振动的内容、我国标准关于管束振动的内容6 6、管束流体诱发振动的计算实例、管束流体诱发振动的计算实例1、换热器流体诱发振动换热器流体诱发振动的简介的简介在在管管壳壳式式换换热热器器中中通通常常用用设设置置折折流流板板的的方方法法，使使壳壳程程流流体体横横向向流流过过管管束束来来改改善善传传热热在在规规定定的的压压力力降降范范围围内内，最最大大程程度度地地增增大大壳壳程程流流速速不不仅仅强强化化了传热，还可减少管子表面上的污垢了传热，还可减少管子表面上的污垢但但随随着着流流速速的的提提高高，又又由由于于高高强强度度材材料料的的应应用用以以及及换换热热器器尺尺寸寸朝朝大大型型化化发发展展，增增加加了了换换热热管管的的挠挠性换热器振动与破坏的事故换热器振动与破坏的事故便越来越多。

便越来越多早早在在二二十十世世纪纪5050年年代代，便便有有换换热热器器振振动动破破坏坏的的报道，但当时并未引起人们足够的重视报道，但当时并未引起人们足够的重视1.1 换热器事故调查换热器事故调查后来随着核能技术的发展，由于核动力部门对后来随着核能技术的发展，由于核动力部门对设备的安全有着非常严格的要求，并考虑到巨额的设设备的安全有着非常严格的要求，并考虑到巨额的设备与维修费用，因此对换热器的振动给予了特别的关备与维修费用，因此对换热器的振动给予了特别的关注，据统计，注，据统计，1962年到年到1977年期间，在美国年期间，在美国17个反个反应堆系统中就有蒸汽发生器、堆芯控制棒、燃料棒等应堆系统中就有蒸汽发生器、堆芯控制棒、燃料棒等因发生振动而导致系统停工或减产因发生振动而导致系统停工或减产1969年美国原子能委员会反应堆和工艺部年美国原子能委员会反应堆和工艺部（USAEDRDT）对）对19个反应堆进行调查，发现其中个反应堆进行调查，发现其中9个反应堆一个反应堆一回路的换热器有振动回路的换热器有振动其它如英国安格赛核电站、韩国其它如英国安格赛核电站、韩国汉城核电站、日本东海村核电站，加拿大道格拉斯角核汉城核电站、日本东海村核电站，加拿大道格拉斯角核电站、意大利特里诺核电站、等也曾发生堆芯或管束振电站、意大利特里诺核电站、等也曾发生堆芯或管束振动的事故。

仅以英国安格赛核电站为例，由于锅炉炉管动的事故仅以英国安格赛核电站为例，由于锅炉炉管振动而停工，用了振动而停工，用了近三年近三年的时间才得以恢复，的时间才得以恢复，每天损失每天损失为为10万英镑u19691969年美国管壳式换热器制造商学会（年美国管壳式换热器制造商学会（TEMATEMA）调）调查其下属单位时发现，由查其下属单位时发现，由1111个公司制造的个公司制造的4242台换台换热器中，发生振动的有热器中，发生振动的有2424台台u19721972年美国传热研究公司（年美国传热研究公司（HTRIHTRI）在所）在所调查的调查的6666台换热器中，发生振动的竟高达台换热器中，发生振动的竟高达5454台台 u在电厂、石油化工厂、炼油厂、烃加工厂中的换热在电厂、石油化工厂、炼油厂、烃加工厂中的换热器、船用废热锅炉的预热器等发生振动、泄漏破坏器、船用废热锅炉的预热器等发生振动、泄漏破坏的事例也屡见不鲜的事例也屡见不鲜u我国从我国从2020世纪世纪7070年代开始相继在北京、天津、上海年代开始相继在北京、天津、上海等地的化工厂、电厂、核反应堆系统的换热器、空等地的化工厂、电厂、核反应堆系统的换热器、空气预热器中也曾发生过管子的振动与声振动。

气预热器中也曾发生过管子的振动与声振动二十世纪二十世纪6060年代，已有较多学者从事换热器中年代，已有较多学者从事换热器中流体诱发振动的研究流体诱发振动的研究7070年代初便已具备召开专题学年代初便已具备召开专题学术会议的条件术会议的条件19701970年美国阿贡国家实验室（年美国阿贡国家实验室（ANLANL）主办了主办了“反应堆系统部件中流体诱发振动反应堆系统部件中流体诱发振动”会议，美会议，美国机械工程师协会（国机械工程师协会（ASMEASME）主办了）主办了“换热器中流体诱换热器中流体诱发振动发振动”会议，标志着一个新阶段的开始会议，标志着一个新阶段的开始 1.2 1.2 换热器流体诱发振动的学术会议换热器流体诱发振动的学术会议由于受到许多国家的学者的重视与参与，此后国际由于受到许多国家的学者的重视与参与，此后国际性的专题学术会议接连不断性的专题学术会议接连不断1972年在德国卡尔斯鲁厄年在德国卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)召开了召开了“流体诱发结构振动流体诱发结构振动”会议1973、1978、1983年相继在英国凯斯韦克（年相继在英国凯斯韦克（Keswick）召开）召开“工工业中的振动问题业中的振动问题”会议与会议与“原子能工厂中的振动原子能工厂中的振动”会议。

会议历届压力容器技术会议（历届压力容器技术会议（ICPVT）、）、反反应堆技术中的结构应堆技术中的结构力学国际会议（力学国际会议（SMIRT）、流体诱发振动与噪声）、流体诱发振动与噪声（FIV+N）国际会议、从）国际会议、从1987年开始每年都开的美国压力年开始每年都开的美国压力容器及管道（容器及管道（PVP）会议）会议，都将换热器振动列为重要主题，都将换热器振动列为重要主题之一 1.3 换热管振动破坏的形式碰撞损伤碰撞损伤折流板切割折流板切割 管与管板处液漏管与管板处液漏 疲劳破坏疲劳破坏声振动声振动换换热热管管振振动动破破坏坏形形式式换热器的振幅较大时换热器的振幅较大时，相邻管之间或管与，相邻管之间或管与壳体之间便相互碰撞位于无支撑跨距中点的壳体之间便相互碰撞位于无支撑跨距中点的管子表面受到磨损而出现菱形斑点，时间长了，管子表面受到磨损而出现菱形斑点，时间长了，管壁变薄甚至破裂管壁变薄甚至破裂1 1、碰撞损伤、碰撞损伤1.3 换热管振动破坏的形式为了便于换热管在组装时容易穿过所有折流板上为了便于换热管在组装时容易穿过所有折流板上的管孔，管孔一般比换热管的外径大的管孔，管孔一般比换热管的外径大0.40.40.7mm0.7mm。

由由于存在间隙，管子在振动时不断撞击折流板管孔，犹于存在间隙，管子在振动时不断撞击折流板管孔，犹如遭到折流板的切割因而导致管壁变薄或出现开口如遭到折流板的切割因而导致管壁变薄或出现开口2 2、折流板切割折流板切割 用胀管法固定的管子，振动时呈弯曲变形接合处用胀管法固定的管子，振动时呈弯曲变形接合处的管子，受力最大有可能从胀接处松开或从管孔中脱的管子，受力最大有可能从胀接处松开或从管孔中脱出造成漏泄甚至断裂出造成漏泄甚至断裂1.3 换热管振动破坏的形式3、管与管板处液漏、管与管板处液漏 4 4、疲劳破坏、疲劳破坏 管子在振动时反复的受弯曲应力的作用如果管子在振动时反复的受弯曲应力的作用如果应力相当高且振动延续时间很长，管壁将因疲劳而应力相当高且振动延续时间很长，管壁将因疲劳而破裂如果管子的材料存在裂纹且裂纹处于应力场破裂如果管子的材料存在裂纹且裂纹处于应力场中的关键部位，或者管子还同时受到腐蚀与冲蚀的中的关键部位，或者管子还同时受到腐蚀与冲蚀的作用，疲劳破坏加速作用，疲劳破坏加速气体流过管束时，将引起壳程空腔中的气柱振荡而产生气体流过管束时，将引起壳程空腔中的气柱振荡而产生驻波当驻波的频率与周期性的旋涡频率一致，便会激起声驻波。

当驻波的频率与周期性的旋涡频率一致，便会激起声振动这也是一种共振现象声振动时，会产生令人难以忍振动这也是一种共振现象声振动时，会产生令人难以忍受的强烈的噪声过高的声压级还要损坏换热器的壳体当受的强烈的噪声过高的声压级还要损坏换热器的壳体当声共振的频率与管子的固有频率一致时，管子的振动加剧且声共振的频率与管子的固有频率一致时，管子的振动加剧且很快遭到破坏很快遭到破坏飞机起飞时的分贝值大约在飞机起飞时的分贝值大约在110-130110-130；高速的汽车可达到高速的汽车可达到8585分贝；分贝；换热器有时可达到换热器有时可达到150150分贝；分贝；1.3 换热管振动破坏的形式5 5声振动声振动1.4 振动实例扬子石化公司钛冷凝器的失效：PAT装置12台钛冷凝器（1亿元），经过十年左右的运行，均发生了不同程度的泄露等失效形式严重影响了化工厂生产和循环水系统的稳定运行泄露还导致了冷凝器壳体、膨胀节、管板、循环水系统装备发生不应该发生的腐蚀与损坏若管壳式换热器中不设置折流板，壳程流体为轴向流若管壳式换热器中不设置折流板，壳程流体为轴向流过管束（过管束（a a），设置折流板后，壳程流体在折流板之间为横），设置折流板后，壳程流体在折流板之间为横向流过管束（向流过管束（b b）。

横向流中的管束的危害更大横向流中的管束的危害更大流流体进口；体进口；管子；管子；、流体出口流体出口易受激振的部位易受激振的部位 管子所有的各个部位都有被振坏的可能而处管子所有的各个部位都有被振坏的可能而处于下述部位的管子更易受到流体激振而破坏于下述部位的管子更易受到流体激振而破坏u 通过折流板缺口部位的管子的跨距，明显地要通过折流板缺口部位的管子的跨距，明显地要比通过中央部位的管子的跨距来得大在前一种情比通过中央部位的管子的跨距来得大在前一种情况下，管子挠性大，管子的固有频率较低，振动的况下，管子挠性大，管子的固有频率较低，振动的倾向更大倾向更大u在在U U形管换热器中，安置在外侧，愈靠近壳体的形管换热器中，安置在外侧，愈靠近壳体的U U形管形管1 1（右图）具有更低的固有频率，受流体激振（右图）具有更低的固有频率，受流体激振的影响也更为明显的影响也更为明显外侧形管；内侧形管；易受激振的部位易受激振的部位 小直径的壳程流体进出口接管，管束外围与壳体内壁之间小直径的壳程流体进出口接管，管束外围与壳体内壁之间的距离的距离T过小图（过小图（a），一般设置改变流体流向的障碍物，如防冲），一般设置改变流体流向的障碍物，如防冲挡板、密封条（见下图（挡板、密封条（见下图（b）等，但都会使局部处成为高流速）等，但都会使局部处成为高流速区，很易激起附近管子的振动。

区，很易激起附近管子的振动 壳体；壳体； 管子；管子；防冲挡板；防冲挡板；接管；接管；管束外围周线管束外围周线密封条；密封条；管子管子高流速区的管子高流速区的管子换热器中流体诱发的振动作为专门的学术研究领换热器中流体诱发的振动作为专门的学术研究领域，从形成、发展到逐渐成熟迄今已有近域，从形成、发展到逐渐成熟迄今已有近5050年的历史年的历史它的发展还得益于对飞机机翼的颤动以及悬索桥与烟它的发展还得益于对飞机机翼的颤动以及悬索桥与烟囱的流振研究后所建立的基础囱的流振研究后所建立的基础1.4 1.4 国内外研究概况国内外研究概况u自二十世纪自二十世纪6060年代到年代到7070年代，对单相流体沿横向与轴年代，对单相流体沿横向与轴向绕流管束时诱发的管子振动与声振动的研究，已取向绕流管束时诱发的管子振动与声振动的研究，已取得相当大的进展得相当大的进展19771977年契诺韦士（年契诺韦士（ChenowethChenoweth）发）发表的技术报告对此有全面的介绍与总结表的技术报告对此有全面的介绍与总结uTEMATEMA标准顺应工程界的要求，不失时机地于标准顺应工程界的要求，不失时机地于19781978年将年将“流体诱发振动流体诱发振动”部分作为推荐性的切实可行的方法部分作为推荐性的切实可行的方法予以颁布，使。