U形换热器尾部防振结构的设计.docx

U形换热器尾部防振结构的设计 张静I王荣贵I是磊、 (1中国五环工程有限公司湖北武汉430223；2中国医药集团联合工程有限公司湖北武汉430077) 摘要:分析了大型U形换热器产生振动的原因，介绍了国内夕卜大型U形换热器尾部的防振支撑结构。 关键词：U形换热器;换热管;振动机理;防振结构;设计 随着石油化工装置的大型化，装置中的换热设备也趋于向高参数发展。由于设备的大型化且又在高压、高温或低温下操作，换热设备的结构也区而变得更为复杂。如设备的开口密封结构、装拆纪构、防止管束振动的措施以及管程和壳程内零件法置结构都随设备的大型化而有所变化，以适应装置操作条件的变化和大型化的要求，这就使得装置中的换热器，如果再按常规的结构进行设计就无法涉足工程的要求。笔者以下以大型U形换热器换然管的振动问题为例，探讨大型换热器的防振结构设计。 1换热器振动机理与防振结构设计 大型化的换热器由于设备的增大，折流板间距也随之增大,这使管束刚性变弱；又由于装置的大型化，壳程的流量、流速都加大，这些都促使流体的流动对管束造成了振动，最终使管子产生循环交变应力从而遭到疲劳破坏。因此，在换热器的设廿时应充分考虑防振措施。 众所周知,换热器的振动主要表现于管子振动和流体柱的驻波振动（声振）2个方面，且前者较后者更加危险，其严重地影响了换热设备的使用寿命;而后者一般不会对结构造成破坏，但噪音及脉动会带来恶劣的环境影响。管子产生振动的根源是当流体横向流过管壳式换热器的管束时，出现了许多激振。 在许多激振的因素中旋涡逸散、流体弹性不稳定、湍流抖振是主要的因素：①当旋涡逸散以一定的频率f交替地从管子两侧表面上脱落后便秘向下游，若此时该频率与管子的自振频率接近苴相等则产生共振；②当流体横过管束时，管子发生位移并振动若在每一个振动循环中，管子从流体吸收能量大于管子因阻尼而消耗的能量便发生流体弹性型振动，这些引起管子振动的激振力在管子本身的自振频率上引起了响应；③当壳程流体在高雷诺数下流动时，管束深处将产生随机波动的湍流力，此力有一主导频率，当这频率与管子附自振频率接近或相等时，也可能导致管子产生大振幅的振动。 作者简介：张青（1961年-）,女湖北罗田人,1983年毕业于武汉工程大学化工机械专业，教授级高级工程师，从事化工机械设计工作。 为了防止U形管束振动，设计时首先通过计算软件如HTRI.BTAC等对换热器进行振动分析。此时应严格注意壳程流体的流速与管子的自振频率2大重要因素在设计时应对这2个参数进行详细计算，务必使激振力的频率错开管子的自振频率。必要时，可以改变流速或加大换热管的管径以增加其惯性矩，这样也可有效地增加管子的刚度；也可通过调整折流板的间距来改变管子的自振频率。总之为了防止换热器在运行时发生振动，在设计时应采取如下防振措施。 (1)减小跨距是减小产生振动最有效的措施。因跨距的减小与跨数的增多可提高换热管直管的自振频率。 (2)增设进出口防冲挡板、流体分配器、导流筒增大接管尺寸。研究证明，管子振动破坏多发生在壳程气体或蒸汽的场合，当操作压力高于0.686MPa时尤为明显。振动破坏最容易出现在壳侧进出口和U形管弯管部位。当不设进出口防冲挡板时，入口处前4排管子振动能级最大，故流体诱导振动造成的破坏也最大。同样，在折流板缺口处，壳程流体的流动相当复杂，当流体绕过折流板顶端并通过缺口时，此处局部速度很高而管子的跨度又长，也会使管子发生振动。换热器入口换热管流体诱导振动破坏位置见图1。 图1换热器入口换热管流体诱导振动破坏位置一振动能级大;。一振动能级中;一振动能级小;O—无或未计测 (3)按美国TEMA的规定，严格控制管跨的临界流动速度。壳程每段的叉流(CrossVelocity)区域流速必须小于对应的临界速度才能确保不产生振动。我国GB150标准在E1“流体诱发振动的计算、中对防止U形管束的振动提出了相应的计算方法。 (4)按照上述理论，目前常用的有效方法是在U形管束的尾部换热管间设置防止管束振动阻力的螺旋间距棒，其既是阻尼器，又可支撑管子。用于三角形排列的管束螺旋间距棒见图2，用于正方形排列的管束螺旋间距棒见图3O 图2和图3中的螺旋间距棒设置于U形管换热器换热管尾部其目的是使U形管管子的尾部俳形成一个整体，以达到大大增加管束的刚度，提高固有振动频率减小产生振动的可能性。 2U形管换热器换热管尾部防振结构 根据上述理论在设计中具体做法是在U形管尾部采用支撑防振结构其目的是将所有U形管换热器换热管尾部通过一定方式连接起来，以减少隹换热管之间由于流体冲击而产生的振动和碰撞逃免管束被破坏。以下列出U形管换热器换热管尾音B防振的几种支撑结构。 21A型支撑结构 A型支撑结构见图4O夹扶板和圆钢结构示意见图5。A型结构是由内往外在相邻两排U形管弯曲部分之间，并排插入