管壳式热交换器的振动与噪声探讨

随着生产规模的扩大，热交换器的尺寸、流体的流速、支承的跨距都随之增大，甚至超过允许的限度，从而降低了管束的刚性，增加了产生振动的可能。

振动可使管子发生泄漏、磨损、疲劳、断裂，甚至伴随着刺耳的噪声，这不仅会降低设备的寿命，也有损于人们的健康。振动一旦形成事故，往往要花较长时间进行分析和修复。由于影响振动的因素错综复杂，阻尼作用的大小难以准确估计以及管子磨损和破坏的速度难以确定，对它们还不能用简单的数学公式加以描述等原因，可以说迄今为止的理论计算方法，还不能用在实际工程中准确地分析振动。有关热交换器的现有规范中，对振动分析方法与防振设计准则也都还缺乏明确的规定。但是实践已经证明，若能在设计时利用现有的研究成果对振动进行必要的估算、分析，并采取一些防振措施，那么，一些破坏性的振动多半可以避免。

1）流体诱发振动的原因

热交换器的管束属于弹性体，当被流过的流体扰动，离开其平衡位置时，管子产生振动，这种振动称为流动引起的振动。实际上每台热交换器在工作时都有或多或少的振动，其振源可能是壳侧或管侧流体流动所引起的振动；流体速度的波动或脉动引起的振动；通过管道或支架传播的动力机械振动等等。有时振源可能较多，而其中的一个或几个可能是激起振动的主要根源。有的振源相对来说容易预测，而流体诱发的振动却比较难以预计。

一些实验和运行经验表明，热交换器的振动主要是壳侧流体的流动所引起，管侧流体流动所引起的振动常可忽略。一般情况下，在壳侧流体中，与管轴方向平行流动的纵向流所激发的振动的振幅小，由振动造成结构破坏的概率，也比横向流动要小得多。因此，人们更为关心的是横向流引起的振动问题。

目前已被公认的导致流体诱发振动的三种不同的原因是：涡流脱落、流体弹性旋转（或称流体弹性不稳定）和湍流抖振。

（1）涡流脱落

流体横向流过单根圆柱体时，在较大的雷诺数下，管后尾流中形成的卡门（karman）漩涡（或称卡门涡街）使两列方向相反的漩涡周期性地交替脱落，产生了一定的脱落频率。当流体横向流过管束时，同样会在管束后产生卡门漩涡，而且对于小间距管束，这种现象只在管束外围的头几排发生，对于大间距管束，则可以发生在整个管束中。涡流脱落时，流体施加给圆管一个正负交替的作用力，这个作用力的频率与涡流脱落频率相同，这样就会使圆管以涡流脱落频率或与它相近的频率垂直于流向而振动。如果圆管的振动频率等于涡流脱落频率的倍数或约数时，漩涡沿圆柱体（圆管）的全跨度在同一时间以相同的频率均匀地脱落，脱落频率和振动频率同步，此即所谓的共振。

涡流脱落本身还能产生一定声响。这是由于在一定条件下，它会激起气室两壁面间有一个既垂直于管子又垂直于流动方向的某阶驻波，如图2.45所示。这种驻波在管束所处的壁面之间来回反射，不往外传播能量，而涡流脱落又不断地输入能量，当驻波频率和涡流脱落频率耦合时，就会诱发强烈的气室声学驻波振动——气振，产生很大的噪声。

图2.45 两平行壁面间产生驻波的示意图

（2）流体弹性旋转

当气体横向流过管束时，由于流体的不对称性产生的流体力可使管束中的一根管子从它原有的位置发生瞬时的位移，因而流场发生交变，破坏了对相邻管子的平衡，使它们也发生位移并处于振动状态。如果没有足够的阻尼来消耗其能量，振幅将不断增加直到管子间互相撞击而造成损坏，这样的振动称为流体弹性型的振动。与前者不同的是，涡流脱落是一种发生在管子后面引起管子振动的一种不稳定现象，它是一种完全不依赖于管子运动的流体力学现象，流体弹性旋转则不决定于任何不稳定的现象，而是由于相邻管子的流场相互作用而产生的。

（3）湍流抖振

湍流流动的流体在各个方向上在很宽的频率范围内都有随机波动分量，当流体顺流或横向绕流管外时，这些湍流分量向管子传输能量，从而导致管子的随机振动，这种由壳侧流体流过管束产生的湍流所引起的管子的振动，是最常见的振动形式，当此湍流波动的主频与管子的固有频率合拍时，则发生典型的共振。如果壳侧流体是气体时，在某一速度下，湍流抖振主频也可能产生声学共振。

以上三个方面的研究表明，管束的振动与管子的固有频率以及气室的声振频率都紧密相关。(www.xing528.com)

2）振动的预测和预防

振动所造成的危害已如前述，因而在设计时就应考虑到把流体诱发振动的可能性降到最低限度。消除热交换器管束产生激振的一切可能，是防止振动最根本的办法，因而对管壳式热交换器进行振动的预测或校核，应该作为保证热交换器安全运行的重要一环来做好。在GB/T151—2014的附录C中提供了用来判别产生振动的判据，可作参考。

但是振动并不一定造成机械损坏，许多热交换器虽有振动但并没有出现事故。当然这并不等于对振动可以熟视无睹。当预测结果有可能发生振动时，可以采取以下一些防振和减振措施。

（1）降低壳侧的流速。假如壳侧流量不变，可以增大管距。当设计中有压降限制时，这种方法比较可行，但会增大壳体直径或增加管子长度。

如果把原来位于壳体两端的单进、出口（流体绕过折流板一次流过壳体）改成进口在中间、出口在两端的分流式热交换器，将流体分成两半从壳体任一端流出，如图2.46所示那样，可以大大降低横流速度。

（2）增加管子的固有频率。管子的固有频率与支承跨距的平方成反比，因而减小管子的支撑跨距是增加管子固有频率最有效的方法。

若在弓形折流板的缺口处不排管，可以使原来每间隔一块折流板才有支承的那些跨距得到缩短，提高固有频率。据称这种方法能最有效地解决振动问题[13]，其结构如图2.47所示。若有需要，还可在两块折流板之间加中间支持板（两头都切去的支持板，如平面图中的虚线所示那样），它对压降并无影响而对传热有一定好处。用改变管材或增加管壁厚度的方法也能增加固有频率，但其影响不是很大。

图2.46 壳侧分流式热交换器

图2.47 圆缺处不排管的折流板

（3）提高声振频率。在壳体内插入减振板，使其宽度方向与横流方向平行而其长度方向与管子轴线平行，这样可提高声振频率，使它与涡流脱落以及湍流抖振的频率不一致。减振板的位置，应在声振动驻波波形的波腹上。

（4）从结构上，增加折流板或中间支持板的厚度，当孔的间隙一定时，能减轻对管子的剪切作用并增加系统的阻尼。在折流板管孔两边加工倒角，对于减小振动的破坏有一定的作用。

除了从结构上注意避免振动之外，还必须注意对运行中的热交换器有影响的一些因素，例如：不让壳程流速超过振动分析所允许的界限，即使是短时间的超速，也对热交换器的使用寿命不利。

最近十多年来，国内外采用了一种折流杆式热交换器，被认为在解决振动和降低压降方面都具有良好的性能。