大型折流杆式换热器管束磨损的研究

2017-08-10

中国设备工程 2017年15期

（阳江核电有限公司，广东阳江 529941）

大型折流杆式换热器管束磨损的研究

刘元庆，曹登洪，王进，王飞，丁清越

（阳江核电有限公司，广东阳江 529941）

折流杆式换热器在国内的应用已近20年，多数折流杆式换热器管束支撑结构的设计参考小尺寸换热器试验模型，但小尺寸模型的试验数据存在一定局限性，不完全适用于大型折流杆换热器管束支撑结构的设计。本文以国内某电厂大流量折流杆式换热器管束振动磨损为例，研究分析大型折流杆换热器支撑结构设计中存在的问题，并提出了优化和改进措施。

折流杆；换热器；磨损；改进

折流杆式换热器自上世纪七十年代问世以来，以其抗振性能好、换热效率高而得到广泛应用。折流杆换热器壳侧流体状态为纵向流（或称平行流），纵向流相比于横向流对换热管的激励强度具有数量级的减弱，极大的降低了换热管发生流体诱导振动的可能。然而，目前国内仍无针对折流杆式换热器换热管组件的设计方法和标准，大部分大流量折流杆换热器支撑结构的设计是在小模型试验参数的基础上进行局部比例放大而来，换热管折流杆支撑示意图如图1所示。由于大流量工况下换热管组件的局部振动特性与小模型存在较大差异，这种的设计方法会导致大流量折流杆式换热器的工程应用中出现换热管振动磨损的问题。本文通过大型折流杆式换热器管束组件振动磨损实例的分析、研究，优化大型折流杆式换热器的设计方法。

1 管束磨损原因分析

1.1 管束磨损缺陷描述

2015年2月至10月，某电厂相继发现2台闭冷水系统的折流杆式换热器换热管严重磨损，大量换热管局部壁厚减薄达40%以上，个别换热管已出现穿孔，缺陷换热管数量超过换热管总数10%。某电厂大型折流杆换热器的基本信息：折流杆式换热器（尺寸φ1828mm×12000），管程流体介质为海水（流量5760m3/h，压力1bar），壳程流体介质为除盐水（流量3900m3/h，压力6bar）。该换热器传热管为钛管，规格为φ25mm×0.5mm。传热管由52个奇偶数相隔（间距167mm）的折流圈和两端的钛—钢复合管板支撑，折流杆与换热管配合间隙0.5mm。折流圈由折流杆和一个环形圈组成，奇数折流杆为水平布置，偶数折流杆为垂直布置。折流杆材料为304不锈钢，直径5mm，折流杆最大跨度1693mm，最小跨度593mm。

统计发现近80%的缺陷换热管分布在换热器进出口区域。电厂分布从两台换热器中拔取一根缺陷换热管，并对换热管缺陷形貌进行检查分析。

图1 换热管折流杆支撑示意图

图2 缺陷管样本1(左)、样本2(右)

现场对拔取的两根样本缺陷管检查，发现传热管表面缺陷形貌与折流杆形状吻合，传热管表面磨损位置与折流杆所在位置吻合，折流杆表面对应传热管表面缺陷位置也存在明显磨损痕迹，其中样本2换热管已穿孔。

1.2 管束磨损缺陷原因分析

磨损形态分析。为进一步明确换热管、折流杆的相对振动方向，电厂对换热管表面缺陷进行了电镜扫描，电镜扫描结果显示损伤表面具有清晰的窄而浅的沟槽和明显的挤压变形特征，沟槽具有清晰的方向性。

图3 缺陷管样本1(左)、样本2(右)电镜扫描图

样本1如图2（图左右为换热管长度方向），拔出传热管缺陷微观形貌，缺陷位置有明显的沿钛管长度方向的摩擦痕迹，说明折流杆存在沿传热管长度方向的振动，磨损点位于换热器中部区域。

样本2如图3（图左右为换热管长度方向），拔出传热管微观形貌，缺陷位置有明显垂直钛管长度的摩擦痕迹，说明换热管存在沿折流杆长度方向的振动。磨损点位于壳侧入口区域，最大磨损点距离管板0.96m，磨损点均位于换热管与折流杆支撑接触位置；换热器传热管缺陷分布图4所示，可以看出有九组传热管的缺陷位置分布位于一根折流杆位置，拔出传热管表面缺陷形貌也与折流杆形状吻合。说明换热器管束存在折流杆对传热管局部支撑效果不佳，导致管束振动，传热管局部磨损。方框表示其位于同一行或同一列折流杆与传热管接触位置。

图4 换热器磨损管在管板上的分布图

损伤缺陷管数量统计结果显示，80%的磨损管分布在换热器壳侧进出口1m范围内。综上，据换热管表面磨损缺陷形貌判断，换热器壳侧进出口区域换热管在横向流的作用下产生沿折流杆长度方向的振动，其他区域，折流杆在水流作用下产生沿换热管长度方向的振动。

磨损原因分析。针对以上换热管磨损的现象和分析，本文对折流杆的振动的原因进行了分析、研究。折流杆式换热器的优点是将壳侧流体状态由横流改为纵流，消除管束流体诱导振动。现有GB151中，核算换热管是否发生流体诱导振动时，只考虑横向流，折流杆换热器壳侧大部分横流速度接近零，也有研究表明，纵向流引起换热管振动的临界流速是横流临界速度的60倍以上，所以，现有折流杆式换热器设计上基本不考虑纵向流对换热管的诱导振动。

虽然折流杆式换热器壳侧流体绝大部为纵向流，但在进出口部分介质仍为横向流，在换热管支撑效果不佳的情况下，此区域流体对换热管的激振，也会引起换热管的振动，从而引发换热管与折流杆的磨损。样本2位于换热器壳侧入口区域，说明换热器壳侧入口已出现较严重的换热管振动磨损。折流杆换热器壳侧进出口区域，介质相对于换热管的流动状态都是横流占主导，换热管的振动核算可近似等效为折流板换热器，参考GB151中折流板换热器的标准进行核算，则核算结果安全裕度较高。换热器原设计参考小模型试验数据，认为折流杆换热器设计中跨距167mm的两组双向折流杆支撑可等效成为跨距334mm的折流板支撑效果，因为两组双向折流杆在334mm的距离内实现了换热管四个方向的限制。按照GB151附录C核算，与某电厂相同参数的换热器，支撑板间距为334mm是满足振动核算要求的，但是GB151中也要求支撑板对换热管的支撑宽度不小于10mm，实际上折流杆换热器设计以双向圆钢支撑为点接触，折流杆对换热管的接触面积远不及折流板。某电厂折流杆式换热器管束严重磨损说明，换热器进出口区域将两组双向支撑杆的效果与一组折流板支撑效果进行等效的结果是不保守的。折流杆换热器壳侧进出口的横流区域，要实现折流杆与折流板的等效，需要关注折流杆自身的刚度的加强。

折流杆式换热器壳侧流体相对于换热管为纵流，但相对于折流杆仍是横流，且折流杆跨度约1700mm，直径5mm，折流杆整体刚度过小，固有频率过低，折流杆沿流体方向无支撑，仅在上下方向与换热管接触。流体振动过程中折流杆易产生沿流体方向（换热管长度方向）的振动，样本1显示换热器中部区域已出现折流杆沿介质流道方向的振动，从而导致换热管局部磨损。参考GB151附录C对折流杆进行振动核算，结果显示卡门涡旋频率与折流杆固有频率之比在1.26～10.35范围内，远大于评定准则0.5，不满足GB151附录C的管束振动判定准则。折流杆在换热器中承受流体横向冲刷，其流体诱发振动采用GB151进行计算，选取最长的折流杆（1693mm）和最短折流杆（593mm），按照转角45°的排列形式进行计算。计算结果显示折流杆的刚度过小，对换热管的支撑效果差，设备运行状态下会出现折流杆与管束振动磨损的情况，也进一步加剧了换热器壳侧进出口区域换热管的振动磨损。折流杆与换热管的支撑为点接触，在换热管或折流杆产生振动的情况下，容易发生振动—磨损—接触间隙增大—振动加剧的恶性循环。从样本1、样本2换热管缺陷形貌的电镜扫描结果也证明此恶性循环已经发生。

2 优化和改进意见

根据以上原因分析，本文针对折流杆式换热器提出以下优化和改进措施：优化换热器壳侧进出口区域换热管横流模型的振动计算；换热器壳侧介质流体为横流。

在尚无其他成熟核算方法之前，可参考GB151附录C，将此区域等效为折流板换热器横流模型进行换热管振动计算。

提高折流杆的支撑刚度十分必要，可将折流杆修改为宽度大于10mm的钢条，两组圆钢型折流杆双向支撑等效为一组折流板的假设是不保守的。提高折流杆的刚度，减小折流杆跨度，考虑介质横向冲击折流杆的条件下，不产生振动，可参考GB151附录C进行折流杆振动计算，将介质对折流杆的流体诱导振动等效为折流板换热器的横流模型；优化折流杆的布置，考虑到换热器进出口区域仍是横流状态，折流杆对换热管的支撑需要加强，可以采用进出口区域折流杆密度增加的方案。圆钢型折流杆与换热管接触为点接触不仅对换热管的支撑效果差，且易出现磨损，改为钢条后，增加了支撑宽度和接触面积，支撑效果更佳。事件电厂已参考以上优化和改进意见对原换热器进行了替代改进，改进后换热器运行状态良好，未出现管束磨损现象。