(1)换热器管子产生振动的原因。换热器管子产生振动的原因主要有两种:一种是外界激振引起的振动,如往复式机械(例如往复式压缩式压缩机)的脉动气引起的激振,或通过支撑构件或连接管道传来的振动。另一种是流体流动激振,又可分为管侧和壳侧流体激发的振动。由于一般情况下管侧流动激发的振动振幅小,危害性不大,往往可以忽略,除非在流速远远高于正常流速的情况下,管侧激发很大的振幅,对换热器的危害最大。
换热器管子振动损坏情况主要有两种,即管子的磨损和管子材料的疲劳断裂。管子磨损又分为两种情况:一种是在振动很大的振动情况下,管子与管子相互接触而磨损(磨平穿漏)成菱形,这种情况绝大数产生在振动位移最大的中间跨度处。另一种是管子与支撑板由于振动发生相对运动而产生磨损,导致管壁逐渐变薄而最后磨穿。另外,由于折流板(支承板)上的管孔通常都比管子外径大0.8~1.2mm,振动管的管壁有可能被折流板(或支承板)切割、断裂,且当折流板很薄而材料比管材硬时尤其突出。接头的松弛与腐蚀同时存在的情况下,振动磨损增加,这种磨损形状呈马鞍形。管子穿出管板处,也会由于振动而使管孔尖锐的边缘对管子起切割作用。
管子的疲劳断裂则是由于周期的循环激振(包括出现共振或微振的情况下)所造成的。因为当管子振动时,会出现反复弯曲作用的周期性交变应力。如果管子长久地承受很强的交变应力,管子的某些应力最高部位就会出现疲劳破裂。
振动破坏的位置一般出现在下列位置处:
①传热管件支承跨度中间位置处,由于管间相互碰撞,外观呈现明显磨口。
②紧靠折流板缺口处,换热管与折流板发生碰撞而遭磨损。③折流板管孔内,传热管振动时折流板管孔边缘对传热管的锯切、碰撞,严重时会导致管子断裂。
④传热管原有的一些细小裂纹或缺陷因振动逐渐扩展,最终导致破坏。
管子振动破坏多发生在壳程气体或蒸汽的场合,操作压力高于0.8MPa时更明显。壳程为液体时,也会发生管子振动破坏,但一般限于流体局部高速区的少数管子。
(2)主要防振措施:由以上分析可知,防振措施需从两个方面人手,降低局部高速流体的流速和改变换热元件的固有频率,采取的主要方法有:
①降低流体在壳程的流速。当传热管的固有频率一定时,降低壳程流速就可避免激发共振,若运行条件不能改变,可在换热器进出口管处设计防护板、导流筒或液体出口分配器等,降低壳程进出口处流速,使流体脉动值降到最低。当管束已采取防振动措施而效果不明显时,工艺上应考虑调整介质的流速。②提高管子的固有频率。这可大大减少共振的机会,提高频率最有效的方法就是减少跨距。管子的固有频率与跨距的平方成反比,跨距若减少20010,固有频率则可提高50%。对于U形管束,为了提高固有频率,可在管间绕以带条或插入杆、板以阻止管子运动。
③改变折流板的形式,以改变换热管的支承状况。近年来发展的折流杆式管束、螺旋折流板式管束都大大改变了管子的支承条件。
需要指出的是,设计仍是解决流体诱发振动的关键所在,一个合格的工艺设计,应能避免换热器管束产生大的振动。在实际生产中,当工艺发生较大变化时,可以通过上述方法减少或避免产生振动。