换热器管束的振动因素及如何防止防止震动

换热器管束振动是一个常见的工程问题，可能导致管子磨损、泄漏、断裂，甚至整个换热器损坏，必须高度重视。振动通常由流体流动诱发，结合管束自身的结构特性（如固有频率、支撑条件）共同作用。

    以下是管束振动的主要原因、后果及解决措施的详细分析：

   一、 主要振动诱因（流体动力学机制）

卡门涡街脱落:

原理: 流体（特别是气体或低粘度液体）横向流经单根或管排时，在管子后方形成交替脱落的旋涡。这些旋涡会产生周期性变化的升力和阻力。

    当振动频率接近管子或管束的固有频率时，发生共振，振幅急剧增大，破坏性强。

湍流抖振:

原理: 高流速、高湍流度流体流经管束时，产生随机的、宽频带的压力脉动作用在管子上。

振动特点: 能量分布在一个较宽的频率范围内。虽然不如涡激振动共振那样剧烈集中，但其能量峰值若接近结构固有频率，也可能激发显著振动，尤其当湍流能量较高时（高流速、复杂流动路径）。持续的随机振动可能导致疲劳破坏。

  流体弹性不稳定性:

原理: 管子在流体中因初始微小扰动而偏离平衡位置时，流体力的方向与位移方向耦合，导致其对管子的作用不是提供恢复力，反而是提供能量加剧振动（负阻尼效应）。

阈值速度: 存在一个临界流速 V_c 。当横向流速 V > V_c 时，振幅会迅速增大（自激振动），即使没有外部周期性激励（如涡街）也可能发生。 V_c 与管子质量、阻尼、刚度和流体密度有关。

风险: 一旦发生，破坏速度快、危害大，常在节径比较大的正三角形排列管束中发生。

声共鸣（气动声学振动）:

原理: 主要发生在壳侧为气体的换热器中。流体流经管束时，会在壳程空间（垂直于管子轴向和流体流向） 产生平面声波。

 二、 影响因素与加剧因素

流速过高: 是诱发振动最直接的因素。涡脱频率、湍流能量、流体弹性不稳定性临界速度都与流速正相关。

介质特性: 气体因密度低，其 V_c 较高，但易引发声共鸣。液体密度大，诱发流体弹性不稳定的 V_c 较低。

壳程入口/出口设计: 流速分布不均匀、突然膨胀/收缩产生强烈湍流或高速区。

管子排列方式: 旋转正方形排列通常比正三角形或转角正方形排列具有更好的防振性能（破坏旋涡形成路径）。正三角形排列节径比大，易诱发流体弹性不稳定。

管束结构:

固有频率: 频率过低易与激励耦合。

跨度: 无支撑跨度越大，固有频率越低。

支撑条件: 折流板缺口区（无支撑跨段）、支撑板数量少、支撑刚度和管孔间隙不足、管板约束不足都会降低抗振能力。

管束间隙: 过大会导致局部高流速和湍流。

两相流: 汽液混合物流动状态复杂、密度变化大，更容易激发振动。

制造与安装误差: 管子不直、折流板管孔间隙过大、支撑板安装不齐导致支撑不均、管束组装过松/过紧。

污垢: 增加管子质量（降低固有频率），改变流道（可能形成局部高速流）。

操作条件: 偏离设计工况运行（如流量过大）。

 三、 振动带来的主要后果

管子与管板/支撑板接触处的磨损:

机理: 振动导致管子与支撑孔边缘反复撞击摩擦。

结果: 管壁减薄、穿孔泄漏。是常见的失效形式，磨损形状常为椭圆形。磨损速率随振幅和频率增加而剧增。

管子疲劳断裂:

机理: 持续的、特别是谐振下的交变应力导致材料疲劳裂纹萌生并扩展。

位置: 通常在磨损点附近、靠近管板或支撑板处发生断裂。

焊接接头或胀接接头失效:

机理: 管端焊缝或胀接处承受振动应力循环。

结果: 焊缝热影响区开裂、胀接松脱导致泄漏。

整体结构损坏:

后果: 折流板开裂或变形、拉杆/定距管断裂、壳体剧烈震动甚至结构件开裂。声共鸣尤其易导致此类破坏。

噪音污染与操作问题: 声共鸣产生巨大噪音；震动过大影响仪表精度和操作安全。

 四、 解决方案与预防措施

解决思路：消除/减弱激励源 和/或 改变结构响应特性（避免共振，提高强度/刚度）。

 设计与预防阶段

流速控制: 核心措施！

壳程的允许流速: 基于TEMA标准、流体弹性不稳定性准则（如Connors公式）、旋涡脱落准则等计算限制流速。实际设计流速应低于临界流速。

入口/出口设计优化: 增加防冲板、优化分布器设计，使流速分布更均匀，避免局部超速。

管束结构优化:

管子布置: 优先选用防振性能好的旋转正方形排列。尽量避免过大的节径比。

支撑设计:

增加折流板/支撑板数量: 减小无支撑跨度，提高固有频率。对长跨度换热器尤为重要。

优化折流板切口尺寸和形状: 减少弓形区高速流，避免形成卡门涡街的条件。

使用防振支撑: 如双支撑、三支撑折流板，瓦楞状支撑条，抗振折流杆（Rods/Segmental Baffle组合）或新型的折流杆式支撑（Rods only）或螺旋折流板，它们能提供连续或多点支撑，限制管振幅，破坏旋涡形成路径。管孔间隙严格控制。

端部支撑: 靠近管板的支撑板位置要靠近管板。

提高管子固有频率: 选用更高弹性模量的管材（如用钛合金代替铜合金），增大壁厚（同时增加刚度）。

抑制声共鸣（针对气侧）:

设置扰流器/消声隔板: 在声波传播路径上插入纵向隔板（不是折流板），破坏驻波形成。

调整折流板间距: 改变声模态的波长。

声学分析: 预估声驻波频率，在设计中使其避开强流激频率。

选择合适的管束类型: 在特别易振的场合，考虑使用管束外旁路结构、增加纵向旁流挡板以降低壳程主流通区的有效横流速度。

 在役换热器出现问题后的对策

诊断确认:

振动监测: 测振仪、声学探测器确定频率、振幅和位置。

目视检查: 检修时重点检查支撑孔处、管端的磨损痕迹。

无损检测: 涡流检测、内窥镜检查管子内壁磨损和裂纹。

流体分析: 确认实际工况是否超设计（流速、温度、压力）。

采取改造措施:

降速: 最直接有效！能否降低流量或在低流量运行？能否改用密度更高的流体？

增加支撑:

加装中间支撑板/扁钢: 在大的无支撑跨段中间添加支撑。

在现有支撑板间隙处插入防振条/填充管子（假管）: 增加对管子的约束。假管需要两端焊接固定。

更换为标准支撑或抗振支撑: 如改用双弓形折流板、折流杆等。

减小支撑孔间隙: 孔内加套或塞焊点（需谨慎）。

塞管或封堵部分管口: 牺牲换热面积换取降低流速和湍流度（谨慎评估热工性能）。

加装扰流装置: 插入隔板或肋片破坏流体流动结构。

维修损坏部件: 更换严重磨损或断裂的管子，修复失效的支撑。

优化操作: 避免两相流比例过高或工况突变（如减少蒸汽通量过快变化）。

制造与安装质量控制: 确保管子直线度、支撑板对齐度、支撑板与管板的平行度、管孔间隙控制等符合设计要求。

总之，解决换热器管束振动问题需要从设计源头把关（特别是控制流速、优化支撑结构、合理选型），并在操作维护中持续监控。对在役设备的治理往往难度大、成本高，因此预防性设计至关重要。在设计新换热器或对操作参数有重大改动时，进行详细的流致振动分析是避免问题的关键步骤。