螺纹管换热器管外流体诱发振动计算

刘

江，毛传剑

（杭州杭氧换热设备有限公司，浙江省杭州市临安青山湖街道东环路99号311305）

摘要：换热器管束振动分析是换热器设计中非常重要的一个环节，直接影响换热设备使用过程中的安全、使用寿命和噪声等性能。通过对某一螺纹管换热器的振动分析，分别采用HTＲI软件和标准GB/T151—2014的方法进行计算和比较，并结合两种算法来进行振动计算，得出了较为可靠的结论。

关键词：螺纹管换热器；管束振动；分析计算中图分类号：TQ051.5文献标识码：B

CalculationofthevibrationinducedbyfluidoutsidethepipeofthreadedpipeheatexchangerLiuJiang，MaoChuanjian

（HangzhouHangyangHeatExchangerCo．，Ltd．，99#DonghuanＲoad，QingshanhuSub-district，Lin’an，Hangzhou311305，Zhejiang，P．Ｒ．China）

Abstract：Analysisofthetubebankvibrationofheatexchangerisanimportantlinkindesignoftheheatexchanger，anditdirectlyaffectsthesafetyduringtheuseprocessoftheheatexchangeequipment，anditsservicelifeandnoise．Aratherreliableconclusionisobtainedthroughanalysisofthevibrationofagiventhreadedpipeheatexchanger，calculationandcomparisonwithsoftwareHTＲIandthemethodspecifiedinstandardGB/T151—2014，andthecalculationofthevibrationincombinationwiththetwoalgorithms．Keywords：Threadedpipeheatexchanger；Tubebankvibration；Analysiscalculation

前言

在管壳式换热器设计中，换热管的振动分析是管束设计的一个极为重要的环节，所以在很多换热器计算软件中都有对应的振动模拟模块。标准《热交换器》（GB/T151—2014）附录C，对流体诱发振动分析计算提出了计算分析方法。现将标准GB/T151—2014的计算分析方法与结合HTＲI计算软件中的振动分析模块进行对比，提出了螺纹管换热器管束振动的判定方法。

换热器的管子都是不良绕流体结构。所谓不良

01-15；修回日期：2016-03-26收稿日期：2016-

绕流体结构，是指流动会在很大一部分结构表面上

脱离开的结构。这种结构不需要像飞机那样获得升力或要使曳力降到最小值，而是承受载荷，提供换热面积。从空气动力学的角度来看并不是最佳化。所以设计时应将振动当作第二设计特性来考虑，即在不造成破坏的前提下，允许出现一定振动。

1

标准GB/T151—2014对振动的判定介绍

标准GB/T151—2014附录C描述了在管壳式换热器中，当流体横向流过管束时，流体诱发振动

作者简介：刘江，男，1985年生，现在杭州杭氧换热设备有限公司从事压力容器、管壳式换热器等设备的设计与研发。

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的主要成因为卡门旋涡激振（有声振动或无声振动）、湍流抖振（有声振动或无声振动）和流体弹性不稳定。其中任何一个因素都可能诱发振动。1.1

管外流体为气体或液体

当管外流体为气体或液体时，符合下面任一条件，管束有可能发生振动和破坏。1.1.1

卡门旋涡激振

根据换热器的换热管排布特性及横流介质流速，可计算出卡门旋涡频率fv。当卡门旋涡频率超过管束各支撑间通道的换热管最低固有频率f1的0.5倍时，管束有可能由卡门旋涡诱发振动和破坏。

1.1.2湍流抖振

根据换热器的换热管排布特性及横流介质流速，可计算出湍流抖振主频率ft。当湍流抖振主频率超过管束各支撑间通道的换热管最低固有频率f1的0.5倍时，管束有可能由湍流抖振诱发振动。1.1.3

换热管的最大振幅

当卡门旋涡频率或湍流抖振主频率与换热管的固有频率一致，且换热管的固有频率小于2fv或2ft时，计算出管束各支撑间通道的换热管的振幅yv。如果最大振幅ymax大于换热管外径d0的0.02倍，则管束有可能发生振动或破坏。1.1.4横流流速

根据质量阻尼系数及换热管固有频率，计算出管束发生流体弹性不稳定时的临界横向流速Vc。当壳程流体的横流流速V大于Vc时就会引发振动或破坏。1.2

管外流体为气体或蒸汽

当管外流体为气体或蒸汽时，符合下面任一条件，管束有可能发生声振动。1.2.1

声频

根据声速和特性长度求算出各阶振型下的声频fa。前几阶振型，尤其是一、二阶振型的声频在0.8

1.2ft或0.81.2fv范围内，则有可能发生

声振动。

1.2.2

顺排管束共振参数

对于顺排管束，可根据管束排布及流动特性计

算出共振参数Φ1。当Φ1在以下范围时，有可能发生声共振：

8200×（do÷L）－3000＜Φ1＜8200×（do÷

L）

－700

式中，L为纵向的换热管中心距。1.2.3错排管束共振参数

对于错排管束，可根据管束排布及流动特性计算出共振参数Φ2。当Φ2值在标准GB/T151—2014的附录C.8图中的共振区内，有可能发生声共振。

2螺纹管的振动计算方法

虽然，按照标准GB/T151—2014附录C的方法可以对管束振动进行较全面的分析计算，但是对螺纹管的计算过程并没有明确的阐述。所以，对于螺纹管管束只能将螺纹管的管外翅片去掉，按照光管的形式进行近似计算。在质量方面，采用单位长度翅片管的质量要求，在刚度方面可以认为：在刚度相当的前提下，可将翅片管视为光管，该光管的内径与翅片管内径相等，外径为翅片管的当量外径（基管外径与翅片外径之间）。在HTＲI软件中有专门的振动精细分析模块VibrationCase（Xvib），可输入换热管形式为光管（Plain）和翅片管（LowFin）两种。通过选择低翅管，输入翅片信息，就可以建立更为准确的螺纹管诱发振动模型。利用HTＲI软件中使用TEMA方法计算的螺纹管固有频率相关数据，对螺纹管当量外径进行拟合，可以更准确地计算出螺纹管的振动情况。

3振动实例计算对比及优化设计

现利用HTＲI软件的Xvib模块对某一螺纹管管束进行模拟。将最终的输出结果通过拟合方法转化成近似光管，然后按照标准GB/T151—2014附录C的方法进行振动分析。

假设有一台空压机级间冷却器，其具体参数见表1。3.1

HTＲI软件的计算结果

将空压机级间冷却器输入HTＲI软件得到的输入结果见表2，HTＲI软件的计算结果见表3。

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表1

壳程介质壳程流量壳程工作压力换热管基管材料换热管基管规格翅片材料翅片外圆管间距管束排布排×列设计支撑跨距支撑数量某台空压机级间冷却器的具体参数

空气迎风面长迎风面高进气温度出气温度管束外进气端气体密度管束外出气端气体密度管束外气体平均密度气流入管束的流速气流出管束的流速气流通过管束的平均流速支撑厚度筒体直径6m0.4m100℃40℃1.85kg/m32.2kg/m32.014kg/m343.5m/s36.6m/s40m/s16mm2.6m25万m3/h0.202MPa（A）S31603Φ16×1.2mm300332mm33mm转角正三角形12×481000mm5个表2将空压机级间冷却器输入HTＲI软件得到的输入结果

换热管形式流动角换热管种类换热管材料换热管金属密度

直管30°翅片管

316不锈钢（17Cr，12Ni）

8000kg/m3

16mm33mm17.5mm1.2mm4347mm0.3mm16mm100℃40℃1000kPa

12.014kg/m31000kg/m32.014kg/m30.0213mN·s/m2

160.01TEMA方法

分析结果换热管材料信息振动数据

表3

支撑数量

HTＲI软件的计算结果

6个1m33mm2.014kg/m3

9.49390.011.280290.0331

316不锈钢（17Cr，12Ni）

8000kg/m3191566MPa1.23kg/m2257.3mm4

临界速度比1.32681.11530.915

最大振幅/mm1.15870.85850.4793

跨325

平均支撑间距换热管间距管外流体密度流体弹性不稳定常数

升力系数附加质量因数对数衰减率换热管材料换热管密度弹性模量有效重量惯性矩

固有频率/Hz31.726537.742446.0035

结构参数

换热管外径换热管间距翅根圆直径管壁厚度每米翅片数

翅高翅片厚度支撑板厚度最大流程温度最小流程温度换热管内部压力

流程参数

壳程气相质量分数（平均）壳程流体密度（平均）管程流体密度（平均）壳程流体密度（气体）壳程流体动力黏度归一化表面张力

注：等效固有频率跨已经被合并。

根据固有频率拟合，求得光管的当量外径为16.682mm，光管质量为1.0843kg/m。3.2

标准GB/T151—2014的计算结果

按照标准GB/T151—2014的计算方法编制

振动信息

模数动态升力系数阻尼系数方法

Excel计算表，并将设备主要计算参数输入（见表4），输出的计算结果见表5。

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表4

换热管材料换热管外径（当量光管外径）换热管内径di换热管中心距横流流速V换热管质量m1管内流体密度迎风面宽特性长度L设备数据输入编制的Excel计算表

S316080.016682m0.0136m0.033m40m/s1.0843kg/m1000kg/m30.41m1m壳程设计压力ps壳程流体密度壳体内径D壳程流体绝热指数壳程流体动力黏度壳程流体流动角管材弹性模量支撑数量支撑厚度0.202MPa（A）2.014kg/m31.6m1.40.0213mN·s/m230°1915665个0.016m表5

fa1/fvfa2/fvfa3/fv最大振幅fv/f1ft/f10.571.141.711.1607mm25.722.88无声振有声振无声振＞0.02do＞0.5＞0.5输出的计算结果

fa1/ftfa2/ftfa3/ft临界流速VcΦ1Φ2会发生卡门旋涡振动会发生湍流抖振振动最大振幅超过允许范围0.561.131.6932.2m/s—4.21E－04无声振有声振无声振＜V—共振结论会发生流体弹性不稳定振动会因卡门旋涡诱发声振动会因极度湍流诱发声振动会诱发共振声振动3.3计算结果比较

两种计算方法的输出结果比较见表6。

表6

输出结果最大振幅/mm临界流速/（m/s）

由表6可知，HTＲI软件的计算结果并不能体现是否发生振动和破坏。3.4

优化设计

由于计算振幅均超过安全许用范围，而且声振动频率也在共振区域内，所以必须采取措施进行减振、防振。螺纹管换热器的防振措施主要有两种方式：改变流速和改变换热管固有频率。

首先，将管束排布改为48排×14列，管束长度加长至9m。此时，气流通过管束的平均流速为7.94m/s。然后，增加螺纹管支撑数量，将支撑跨距减小到800mm。

将修改后的管束参数输入到HTＲI软件中进行拟合，求得当量外径为16.452mm。

通过标准GB/T151—2014计算的结果见表7。

两种计算方法的输出结果比较

标准GB/T151—2014

1.160732.2031.72是是是是是是

HTＲI软件1.158730.1431.72——————

中间跨一阶固有频率/Hz是否发生卡门旋涡振动是否发生湍流抖振振动是否发生弹性不稳定振动最大振幅是否超过许用值

是否诱发声振动是否诱发声共振

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表7

fa1/fvfa2/fvfa3/fv最大振幅fv/f1ft/f10.1.281.920.0246mm3.513.10优化换热管排布后的计算结果

无声振无声振无声振＜0.02do＞0.5＞0.5fa1/ftfa2/ftfa3/ft临界流速VcΦ1Φ2会发生卡门旋涡振动会发生湍流抖振振动最大振幅未超过允许范围0.721.452.1753.14m/s—1.E－04无声振无声振无声振＞V—无共振结论不会发生流体弹性不稳定振动不会因卡门旋涡诱发声振动不会因极度湍流诱发声振动不会诱发共振声振动结果显示，优化排布后还是会发生卡门旋涡振动、湍流抖振振动，但振幅未超过推荐许用值，所以，优化后的方案可以达到设计安全要求。

管束的振动分析。?

参考文献：

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S］．热交换器［

［2］张俊杰，刘红，陈佐一．换热器管束流体激振研究的

J］．核动力工程，2003（6）：517-520．新思路［

［3］李安军，邢桂菊，周丽雯．国内换热器流体诱导振动

．辽宁化工，2007（12）：849-的研究状况［J］852，856．

J］．化［4］矫明．管壳式换热器管束流致振动实例分析［

83．工设计通讯，2014（6）：80-．吴恕三，邢志［5］BLEVINSＲD．流体诱发振动［M］

彪，译．北京：机械工业出版社，1983．

4结束语

管束振动的计算关系到换热器管束结构尺寸设

计的合理性。对于螺纹管换热器，如直接采用标准GB/T151—2014附录C对基管进行计算，则得出的结果往往与实际情况偏离较多。所以在实际应用中对于螺纹管管束的振动分析，应先通过HTＲI软件的Xvib模块对螺纹管进行振动计算，计算最小一阶固有频率，通过固有频率拟合出当量光管的参数，再按照标准GB/T151—2014的方法对各振动进行计算。这样才能有效地完成对螺纹管换热器中

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全球首创：液化空气集团运营首座纯氦储存装置

液化空气集团中国网站2016年7月15日报道，液化空气集团近期启用位于德国杜塞尔多夫120km外的北莱茵Epe的一座大型氦气储存装置。威斯特伐利亚小城Gronau-继液化空气集团收购Airgas从而成为全球氦气市场领导者后，该项目将使公司更好地满足客户需求，确保氦气供应的可靠性和可预测性。

该全新氦气储存装置为世界首创，将大量纯氦储存在液化空气集团管理的地下1300m的盐库中，用天然卤水调节氦气储量。液化空气集团拥有该地下储存设施的所有权，Epe存储集团超过1年的负责设施运营，因而能在Gronau-氦气采购量。

氦气供应的主要挑战在于：通过优化运输交货期，避免氦气运输期间因受热造成损失；不受生产源稳定性的影响，及时满足客户需要。液化空气集团通过战略采购、全球物流和完备的客户设施，提供可靠全面的氦气解决方案。目前，液化空气集团氦气物流团队拥有最大的氦气国际标准集装箱船队之一（集装箱运输氦气的温度为－269℃，接近绝对零度），由位于美国、欧洲、中东和亚洲的专业团队为其提供数字化导航。

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