換熱器管束流體誘導振動機理與防振研究進展

馮剛

（浙江工業職業技術學院，浙江紹興312000）

摘要：換熱器內管束的流體誘導振動所產生的危害嚴重影響其運行的安全性。本文對近年來國內外學者對管束振動機理的研究現狀進行了綜述，說明由于振動損壞，傳熱管的平均服役壽命僅達到設計壽命的一半，同時系統總結并提出了防振措施。闡述了隨著換熱器的設計趨于大型化和殼程流動高速度化，對換熱器內流體誘導振動問題的正確分析，成為延長換熱器服役壽命的關鍵因素之一。指出了未來研究應重點關注換熱管束的激振原因，提出了更有效的防護措施，對實際換熱器設計具有一定的指導意義。
    關鍵詞：換熱器；流體誘導振動；固有頻率；防振措施；機理分析
    中圖分類號：TK 172文獻標志碼：A文章編號：1000?6613（2012）03?0508?05
    熱量傳遞現象普遍存在煉油、化工、冶金、核電、食品、制藥、輕工、航空及其它工業領域，作為熱量傳遞的載體，換熱器在現代裝置中占總投資的10%～20%。在眾多不同結構的換熱器中，管殼式換熱器仍然占據著主導地位，約占70%[1]。隨著現行的管殼式換熱器使用要求和制作工藝的逐步提高，其外形尺寸也逐漸增大，以滿足不同的生產工作要求。為了提高傳熱系數，減少污垢、降低熱阻、殼程流動高速度化勢在必行，但這將進一步凸顯出換熱器內流體誘導振動問題，對其抗振性能提出了更高的要求。由于換熱器內的流體誘導振動會產生劇烈的噪聲，這將造成管件損壞[2]。據不完全統計，目前因振動損壞的換熱器幾乎占損壞總數的30%。特別是其內部整體結構長徑比較大的管件，其抗震性進一步的減弱，將直接影響換熱器的正常功能。因此，大部分振動破壞主要是換熱管的機械損壞。傳熱管的平均服役壽命僅達到設計壽命的一半[3]。為此，國內外的科研工作者針對換熱器流體誘導振動問題，對其誘振機理和減振措施展開了諸多的研究與探索。
    本文作者將針對近年來國內外在管束流體誘振機理方面所取得的研究成果，系統總結并提出了防振措施，提出了未來研究應重點關注的問題。
    1·換熱器管束振動機理研究現狀   管殼式換熱器在運行過程中，殼程流體的流動主要有縱向流動和橫向沖刷兩種狀態。由于操作工況具有多變性以及流動狀態的復雜性，特別是流體在穩定狀態流動時對管件產生的振動、流速的瞬時變化引起的振動以及各內部構件在工作過程中引起的共振等這些動力機械振動，都會引起換熱管不同程度的受激振動。但縱向流所激發的振動振幅較小，危害性不大，一般情況下可不考慮其對換熱管的損害，但當流體流經管道的流速瞬時變化較大時，其縱向流激振會有較大的數值產生，此時就應考慮[4]。王定標等[5]在質量流量、來流湍流度和功率譜密度均相同的情況下，對比研究了縱向流折流柵換熱器與橫向流折流板換熱器內流體流動所產生的位移響應，結果表明：折流板的振動響應值之比分別與流進管道液體的密度（ρ ）和質量（m）、管殼式換熱器管道內的液體流動速度的平方（v2）成正比，隨著流體的密度、質量和流速的變化，其位移相應值將成倍的擴大。并經過對縱向流折流柵換熱器與橫向流折流板換熱器的一系列實驗分析測得振動值，當流動的速度在6.5～7.5 m/s時，橫向位移響應均方值是縱向位移響應均方值的325～335倍之間。結果表明，當換熱器中的流速一旦發生改變，管道呈縱向排列的換熱器的振動位移數值變化不大，其抗振性能效果比橫向折流板換熱器明顯提高，這是因為，橫向流是流體誘導管束振動的主要根源，所以在設計管殼式換熱器管道內部走向時，應優先考慮縱向流折流柵的換熱器。
    目前，管束內的流體在流動過程中產生激振的問題有以下幾點：漩渦脫落（vortex shedding）、湍流抖振（turbulence buffeting）、流體彈性激振（fluidelatic instability）和聲振蕩（acousticresonance）。管束流體激振特性的形成分別與換熱器系統內的阻尼特性、換熱器系統各組成構件的固有頻率以及流體在管束內的流動因素有關。各國學者對流體激振的機理進行了系統的研究。
    1.1漩渦脫落的研究現狀
    由于卡曼渦街[6]現象的存在，在管子背面兩側產生周期性的反對稱漩渦尾流，尾流的交替產生與脫落產生于流向的激振力，當脫落的頻率接近換熱管的固有頻率時，將會引起管束機械性的共振現象，使換熱器產生較大的機械破壞。
    以往在進行測定卡曼渦街現象數值時，運用最早的是尾流振蕩模型實驗來分析漩渦脫落誘發的振動原因。但據目前學者研究發現[7-8]，尾流振蕩模型在實驗過程中，其范圍受到一定的限制，當雷諾數在較低的情況下，其理論數值與實驗數據相差不大，基本接近；但當雷諾數在較高的情況下進行實驗時，兩者數據相差甚大。經分析，當在雷諾數較大工狀下進行實驗時，流經換熱管后的尾流不呈二維流動，而是呈動態的三維隨機流，是一個隨機力函數，沿整個換熱管同時脫落，尾流流動呈現出復雜的隨機性質。尾流作用于換熱管上的載荷也隨機發生變化。這就意味著雷諾數在較高的情況下不能運用尾流振蕩模型進行實驗，否則測定的流體誘導振動值會有不小的差值產生。為了能在動態的情況下測定瞬時的振動值，建立了相關模型實驗，它的理論基礎由Blevins和Burton提出。在相關模型實驗中，通過一系列的相關實驗數據驗證得知：當換熱器在較低的雷諾數的工作環境下進行實驗時，其理論數值與實驗測得的數據能夠較好地吻合；即使在較高的雷諾數狀態下，測定的實驗數據與理論數值也具有較高的一致性。在這兩種狀態下，其結果比運用尾流振蕩模型實驗的數據要接近。王定標等[5]把隨機振動理論運用到工程實際中，建立了力學模型，通過大量的實驗數據分析，最終推導出換熱器管束振動隨機均方根和譜密度之間的關系，為了更形象地表達流體激振力的分布情況，繪制了各種工程結構的流體激振力分布狀態圖，進一步分析和驗證了采用隨機振動理論能較好地預測管殼式換熱器管束流體誘導振動。
    王灃浩等[9]提供了熱交換器管束在亞臨界雷諾數范圍內解決復雜流體誘導振動的一種參考方式。根據雙圓柱管束在并列或串列狀態下的流體誘導振動情況，用表面渦方法對流體力、振動頻率和振動響應的問題進行研究，得出在兩種排列的狀態下不同管束間隙比及歸一化阻尼參數的特性：當雙圓柱管束在并列狀態時，其動態響應對流體誘導振動的影響是最大的，這是由于流體在此狀態下的脈動力系數為最大，雙剛性圓柱和雙彈性圓柱分離的渦平均力系數較小；當雙彈性圓柱管束在串列狀態時，渦脫落的頻率較大并具有屏蔽流，渦脫落頻率值的大小決定于歸一化阻尼，而受管束的間隙比影響較小。
    針對兩相流誘發管束振動機理的研究，由于其隨機產生的復雜性，相關的研究目前尚處在初期探索階段，Pettigrew等[10-11]也只對換熱器管束相互之間的距離、換熱器管束中的含氣率、換熱器在雷諾數不同情況下的工作狀態進行了有限的研究，同時對氣液兩種不同介質時兩相流中串列雙圓柱的誘發振動特性機理的研究，有助于理解管束中管子之間相互影響機理，對于進一步研究復雜管束中的流體誘發振動現象具有重要意義。為此，謝正武等[12]采用雙流體模型對兩種不同介質時兩相流中串列雙圓柱的流動工況進行了數值模擬，對氣液兩相流在垂直向上橫向沖刷工況下的順列雙圓柱產生漩渦脫落時的周向壓力分布及流體作用力變化進行了實驗研究，其研究結果對工程應用具有一定的參考價值。蘇新軍等[13]總結出管束呈正三角和正方形排列時，可近似應用單相流時的Weaver曲線作為旋渦脫落誘發管束振動的判別標準，并在實驗過程中還發現以下幾個特性：管束中流體含氣率的增加會使兩相流斯特拉赫數Sttp減小；錯列管束呈旋轉正三角排列的斯特拉赫數曲線；兩相流斯特拉赫數在不同排列形式的錯列管束中的特性。以上結果是在3排錯列的直徑為30 mm的有機玻璃圓柱表面進行的旋渦脫落工況試驗研究，管束中流體含氣率在0～0.3，兩相隙縫流雷諾數為2.0×104～6.0×104。
    1.2湍流抖振的研究現狀當換熱器內流體流動的雷諾數Re＞4000時，流體出現湍流狀態，使管道內流體產生脈動變化，在壓力場和速度場的作用下，將提供給管子持續的能量，使管子在吸收能量的過程中產生一定頻率的抖動現象，當湍流脈動的主頻率與管子的抖動頻率在一定的區間范圍內時，管子就會發生抖振現象。湍流抖振的頻率范圍很寬，它的主頻率會隨著換熱器管束內流速量的增加使振幅增大。當換熱器管子間距較大時，由于這種振動不規律，一般不會產生共振響應[14]；但當管子間距較小時，其振幅的增大會直接影響換熱器的正常工作，特別是在卡曼漩渦狀態時，湍流的影響是主要的。Taylor等[15]經過試驗研究了汽水兩相繞流管陣時的湍流抖振現象，對管陣中心管束的振動響應進行了測量。Katinas等[16]實驗研究了在流體橫向繞流中流體的湍流度對管束被流體激振的影響以及線性排列與多排交錯排列管束的振動特性。其試驗結果表明，當流體的密度較高時，管束由于流體的湍流壓力脈動、管子與流體之間的相互作用以及管子背后的旋渦脫落造成振動；并且在管子的固有頻率與旋渦脫落基頻或二倍頻耦合的時候，管束會出現振動峰值。當湍流度從1%提高到12%的時候，迎流面第1排管子的振動現象會消失。當管陣處于交錯排列的狀況時，管束的振動則受到一定的抑制。
    1.3流體彈性激振的研究現狀
    換熱器內的管束由于受到流體的湍流和漩渦的作用，會發生相對的振動位移，并且具有一定的速度和加速度，改變了管束四周的流場，打破了相近管子上力的平衡狀態，使其進入振動狀態。若能從流體的流動中不斷獲取能量，這種機械耦聯產生的振動狀態將持續下去。當換熱器內流體流動的雷諾數達到一定值使管子吸收的能量超過其阻尼耗散的能量時，管束的振動幅度將急劇增大，將發生流體彈性激振現象。這種現象造成的損壞在換熱器機械損壞中所占的比例較高，在設計換熱器的工況過程中，應盡量避免管束內流體彈性激振現象的發生。
    在流體彈性激振研究的早期，主要有兩種常用的流體彈性激振的模型：第一種為Connors[17]的位移模型，其認為振動為流體剛性所控制，提出了擬靜態流模型；第二種為Lever等[18-19]的流體慣性模型，其認為振動的激發是負流體阻尼力產生。聶清德等[20]通過大量的理論和實驗研究，從不同的角度對流體慣性模型的正確性進行了驗證，并采用該模型對流體彈性激振機理進行了深入的研究，經過假設管子的振動為周期性的衰減狀態，建立了管子振動的基本方程，通過求解該方程，得出了管束流速穩定區圖，用以確定管束彈性激振的不穩定區域或臨界流速。Granger[21]針對于工業中流體橫掠管束的工況，建立了流體彈性不穩定的近似模型。此模型運用單一自由度的系統，通過利用所求系統的阻尼比等于0時的速度來預測臨界流速。而在穩定區域，可以采用球系統的響應幅度來近似求取管子的響應幅度。
    對于U形管換熱器，運行經驗和科學研究結果表明，流體誘導振動是導致U形傳熱管破裂失效的關鍵因素之一。U形管動態參數中固有頻率和模態振型是分析傳熱管流體誘導振動和采取預防措施的重要參數。劉敏珊等[22]采用理論和數值模擬的方法，歸納出U形管在質量隨空間位置非均勻分布和在管內外壓力作用下的固有頻率計算公式，并在各種不同的工作環境和在不同的條件下對U形傳熱管的模態振型、固有頻率進行了數值仿真，發現對U形傳熱管動態特性影響較大的因素有：U形傳熱管的彎頭曲率半徑、管束支撐板厚度、防振條的剛性支撐點數、傳熱管工作壓力以及支撐邊界約束的處理模式。對U形傳熱管動態特性影響較弱的因素有：U形傳熱管的熱膨脹性能、自身質量及其質量分布的非均勻性和壓力。
    對于管子表面帶有翅片的換熱器，其應用范圍也在逐步擴大，與光管系列的換熱器在同等直徑等壁厚的情況下相比，不但其原有的傳熱面積得到了擴展，而且其固有頻率比光管低20%左右。為了能分析各種計算翅片管固有頻率和相應的位移響應的經驗公式的優劣性，朱雨峰[23]運用有限元的方法建立翅片管模型進行模擬計算，得出了翅片管的固有頻率和相應的位移響應，并采用強迫共振法對翅片管的固有頻率進行了測量，對其分析結果進行了驗證，其模擬結果表明：翅片的間距、高度和厚度對翅片管的固有頻率有影響，并且在其它參數不變時其固有頻率近似呈線性變化。
    對于換熱器的流體彈性激振的研究，均是傾向于確定一個所謂的“臨界流速”，使其在設計與生產換熱器過程中采取可控的方法，以避免流體彈性激振，提高換熱管束的穩定性和使用壽命。但在換熱器的實際應用過程中發現，雖然管束中的瞬時流速接近或者超出“臨界流速”，并沒有大量導致換熱器管束的瞬時損壞，而大量的振動破壞是因為長期振動造成的疲勞破壞[24]。
    1.4聲振蕩研究現狀
    當換熱器中管束的流體處在漩渦脫離狀態時，會引起管束振動，在管束周圍激起彈性波，彈性波沿換熱管徑向傳播。由于換熱器的外形基本呈密閉的筒體類狀，彈性波會在換熱器內壁反彈回來，形成一定量的聲學駐波和機械波。但由于換熱器為密閉箱體，較難向外傳播，使兩者的能量不斷地積累到一定的數值之后，會發生噪聲和機械振動。聲振蕩的發生與殼程流體的性質有關。當殼程流體為氣體時，在聲振頻率達到卡曼渦街頻率或湍流抖振頻率的80%～120%時，就會引起共振現象，導致振動和噪聲。而在殼程流體介質為液體的情況下，難以發生聲振蕩現象，是由于聲波在液體中傳播的波長較長，而換熱器殼體直徑有限，難以形成聲學駐波。
    聶清德等[25]在風洞中對換熱管束的聲振動進行了研究，實驗時湍流抖振主頻率接近于聲頻，結果發現噪聲是因二階聲頻與周期性漩渦頻率一致而引起的。為了消除噪聲，曾試驗了兩種消聲結構：一種是無孔隔板，另一種是兩塊多孔板中間夾有一層多孔性材料制成的薄片。對比發現，多孔性材料制成的多孔隔板具有更好的消聲效果。消聲隔板應放在接近聲波的波腹處，這樣才能降低分貝值。
    黃政[26]建立了冷凝器結構有限元簡化模型，用有限元/邊界元方法研究了激勵形式和擋流板位置對冷凝器輻射聲場的影響。采用不同的激勵手段，分別對冷凝器管束的結構輻射聲壓幅值、分布和輻射聲功率曲線進行比較，同時進行了結構優化，通過對一系列使冷凝器在低頻區范圍內的實驗分析測定得出，當其在75 Hz或250 Hz附近工作時，輻射聲壓值較大，振幅值也較大，從而導致在此區間工作的冷凝器產生共振，使換熱管造成一定程度的機械振動破壞。為此，換熱器流體誘導振動的漩渦脫落頻率應采取消減低頻區工況措施，以提高工作壽命。
    2·換熱器管束防振措施
    近來年，國內外的科研工作者在大量實驗分析的基礎上，提出的換熱器管束防振措施的主要方法是增加換熱管束的固有頻率，并且使殼程流體的流速低于“臨界流速”。工程實際中主要采用以下方法預防管束振動[27]。
    （1）在實際的生產過程中，常常由于操作不當使溫度和壓力頻繁波動，引起的循環載荷導致換熱管束的疲勞失效。為了提高設備的疲勞極限，可以通過有效的控制設備運行的開機和停機周期，并運用相應的檢測儀器進行在線即時監測，一旦發現異常，可及時改變運行狀況；為了避免管束中流體的脈動變化過大、流體的流速變化過高和防止液流介質直接沖刷換熱器的管束，可以采取在換熱器管束流體入口處設置防沖板或導流筒或分流器等措施。
    （2）在滿足換熱器傳熱效果的前提下，為了防止管束產生振動，盡可能降低流體的流動速度，使雷諾數控制在一定的范圍之內，降低殼程流體誘導振動的頻率，防止出現共振。這是防止管束振動的一種比較有效、直接的方法，但需兼顧傳熱效率，二者應權衡考慮。
    （3）防止管束發生流體彈性激振現象最有效的方法是增加管束的剛性強度，提高其固有頻率。如適當增加管子的支撐點，以縮短管子的無支撐跨長，進行結構優化，增加相關構件的彈性模量，增大材料的慣性矩，增加管壁和折流板的厚度。在決定管束固有特性的各種設計參數中，管子截面半徑的影響要大于壁厚，故可以增加管子的有效直徑。經實踐證明，折流板管孔直徑略大于換熱管的外徑0.25～0.35 mm，能比較有效地避免管束振動。同時，對折流板上所有管孔倒一定半徑的圓角，能有效減小管束振動時產生的磨損。
    （4）在換熱器中添加縱向隔板來防止聲振動，以減少非軸向傳遞的彈性波和機械波的形成，改變氣柱的聲振動頻率和紊流抖振頻率的不同。通過這樣的附加設置，可以減少振動現象的發生。具體操作方法是加若干塊縱向隔板于沿流向的殼體內，置于聲振動波型的波腹位置，用以改變設備中橫向尺寸的特性長度。
    3·結語
    國內外的科研工作者針對換熱器管束流體誘導振動機理進行了廣泛的研究，目前在理論和實驗上對旋渦脫離激振和流體彈性振動的機理做了大量的研究分析工作，分別取得了一定的進展，并提出了一些新的理論依據和實驗數據，對指導換熱器的設計過程起到了較好的作用。但是由于通過管束間流動的復雜性，流體誘導振動時有非常多的未知因素以及換熱元件的磨損和破壞速度難以準確計量、振動阻尼的不確定性等的影響，所有這些預測振動的理論與方法各有其局限性。因此還需要提出一些新的思路和方法對換熱管束的激振原因進行更深一步的研究，提出更有效的防護措施，這樣設計出的產品才能具有更長的使用壽命、更加完善的使用性能和更加安全可靠的操作性。
    參考文獻：略