换热设备第1讲-振动及防止

2典型的管壳式换热器3典型的管壳式换热器4内容振动带来的危害横向流诱发振动的原因防振措施5振动带来的危害6振动所带来的危害1传热管的碰撞、磨损2管子的疲劳破坏（微动疲劳）3管子与管板连接处发生泄漏4壳程空间发生强烈的噪声5增加了壳程的压力降7工程中实例杨子石化公司钛冷凝器的失效PTA装置12台钛冷凝器(总价值1个亿)，经过十年左右的运行，均发生了不同程度的管子泄漏等失效型式严重影响了化工厂生产和循环水系统的稳定运行泄漏还导致冷凝器壳体、膨胀节、管板、循环水系统设备等发生不应有的腐蚀与损坏。失效原因:主要原因为管束振动引起的疲劳失效。8工程中实例9工程中实例10工程中实例11流致振动注意：12机械振动常见故障原因一般有；不平衡、不对中、弓轴、支撑松动故障、齿轮故障、转子摩擦、滚动轴承故障等不同于机械振动，流致振动是指物体或结构被流体激发的振动，即工程结构往往会由于流体特殊的力学作用而产生的振动现象。13流致振动关系图14流致振动的分类1516微动疲劳17微动疲劳微动磨损：两构件在接触面上很小的，反复的相对滑动，造成构件表面的机械损伤。考动疲劳研究就是：在原有结构疲劳问题中进一步考虑微动磨损的影响18微动疲劳19微动疲劳20微动疲劳影响疲劳强度的主要原因微动诱发了微裂纹的产生在裂纹扩展第一阶段，除了拉伸型应力强度因子外，还有剪切型应力强度因子，加速了裂纹的扩展21传热管的磨损22传热管的磨损232425传热管的磨损26传热管的磨损27传热管的磨损28传热管的磨损29传热管的磨损30传热管的磨损31传热管的磨损核电站中蒸发器传热管判废准则32横向流诱发振动的机理33横向流诱发振动的原因(1)1卡曼漩涡34横向流诱发振动的原因(1)1卡曼漩涡35横向流诱发振动的原因(1)卡曼漩涡自管子脱落的频率fv=St×V/d01/sV-管束中最小自由截面处流速,m/sd0-管子外径，mSt-斯特罗哈准数，无因次，可查下图36横向流诱发振动的原因(1)37当卡曼漩涡脱落的频率等于管子的自振频率时，管子便发生剧烈的振动注意！3839横向流诱发振动的原因(2)紊流抖振(湍流颤振)壳程流体的极度紊流漩涡使管子受到随机的波动作用力，紊流有很宽的频带发生在节径比P/d0小于1.5的密排管束40横向流诱发振动的原因(2)紊流抖振动的频率(经验公式)V-管束中最小自由截面处流速,m/sd0-管子外径，ml,T-管子间距41横向流诱发振动的原因(3)声振动发生在壳程流体为气体的换热器中气体进入壳程后，在与流动方向与管子轴线都垂直的地方会形成声学驻波，如驻波与漩涡脱落频率或紊流抖振频率一致，便激发声学驻波的振而产生强烈噪声，甚至使壳体破坏42横向流诱发振动的原因(3)声学驻波示意图43横向流诱发振动的原因(3)声学驻波横向流诱发振动的原因(3)声学驻波的频率fv=nC/2D1/sn-驻波阶数，无因次C-在壳程流体中声音传播速度D-特征长度，一般指壳体内径4445横向流诱发振动的原因(4)流体弹性激振首先是因为管子的运动而造成激振频率不仅与流速有关，还与周围管子的共振频率有关。流体弹性激振属于自激振动，一旦开始，振幅将急剧增大。管子开始振动的流体速度称为临界横流速度Vc46横向流诱发振动的原因(4)临界横流速度Vcβ-参数,与管子排列方式，管子的节径比有关fn-管子自振频率，1/sδ-管子对数衰减率，与材料、支撑、流体有关，无因次m-管子单位长度有效质量kg/mρs-壳程流体的密度kg/m347横向流诱发振动的原因(5)射流转换横向流体以很高速度流经节径比很小的管子时，在尾流中可观察到射流对的出现。（很高时V/fnd075）48横向流诱发振动的原因(总结)横向流速低时卡曼漩涡紊流抖振声振动（壳程流体为气体时）横向流速高时流体弹性激振射流转换引起的管子振动（很高时V/fnd075）49管子的自振频率几个概念自振频率（固有频率）基频50管子的自振频率-单跨管51管子的自振频率-单跨管X=0时,y(0)=y’(0)=0X=l时,y(l)=y’(l)=052管子的自振频率-多跨管实际换热器中的管子都是多跨管（跨距相等）将管子两端看为固支，中间折流板处看作简支求解的思路：可利用边界条件，及折流板支撑处的连续条件53振动的判据1准确确定振动计算所需的参数如管子自振频率及阻尼，流体弹性参数β,St2实际上,要准确预测换热管的振动很困难，况且各种振动机理可能联合作用，为可靠起见，设计时要防止各种激振54振动的判据553振动的判据56防振措施57防振措施(1)1降低流速a)降低壳程流量或流速（反之也降低生产能力）b)增加管间距来降低流速(反之壳体直径增大)c)改变管束的排列角也可降低流速d)设置防冲挡板或导流筒58防振措施(1)59防振措施(2)2改变管子的自振频率a)减小管子跨距（最有效方法）b)增大管子弹性模量或惯性矩（不现实）c)管子间隙处插入板条或杆状物（对U型管很实用）d)在折流板缺口处不布管e)减小管子与折流板间隙与加厚管板(改变不了频率，减轻了管子所受折流板割据作用，增加系统阻尼)60防振措施(3)3设置消声隔板在壳程设置平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板，可以有效降低噪声。61防振措施(4)4抑制周期性的漩涡a)沿管子周向缠绕金属丝，或沿轴向设置金属条可改变流场，抑制或消弱周期性漩涡62防振措施(4)4抑制周期性的漩涡b)采用折流杆代替传统的折流板可防振，强化传热、减少污垢，减少壳程压力降63防振措施(4)641管壳式换热器中横向流动诱发振动的主要原因是什么？2声振动是由什么引起的，一般发生的介质是液体还是气体？3管壳式换热器防振的措施有哪些？回顾与思考？65谢谢！Thankyou！华东理工机械与动力工程学院