蒸汽再沸器管束振动泄漏案列分析

赵兴国（西南油气田川东北作业分公司，四川 达州636164）

甲乙酮干燥塔再沸器（E-251）是甲乙酮干燥塔（C-251）的塔釜再沸器，管程介质SBA,MEK,EAK；壳程介质低压蒸汽。型号BEM450-0.35/1.2-37-3.5/25-1II，管、壳程材质均为碳钢。简易流程图如图1：

图1 E-251简易流程图

1 E-251的泄漏现象

该换热器自2004 年投用至2012 年，先后经过3 次抢修，堵管消漏。2012年管束整体更新后，在2015年再次发生泄漏，停工抢修，堵管9根。其检修情况如表1：

表1 E-251历次检修记录

以上四次抢修过程中，试压发现，都是靠近蒸汽入口处的管束发生了泄漏。

2 E-251的泄漏原因分析

（1）防冲挡板脱落因素：该换热器每次泄漏的管束都位于防冲挡板后的蒸汽入口处。因此，初步判断是防冲挡板冲刷腐蚀脱落造成。可是在2012年换热器管束更新后，通过对旧管束进行检查发现防冲挡板是完好的，排除了防冲挡板脱落造成管束泄漏的因素。

（2）管束制造质量因素：E-251在2012之前检修过三次，在2012年装置大检修期间对该换热器管束进行了整体更新，可是更新后的管束在2015年再次发生泄漏，泄漏部位还是位于蒸汽入口处，由此判断换热器管束制造质量导致泄漏的可能性较小。

（3）操作因素：该换热器在实际操作中，蒸汽流量达到了2600kg/h。通过查询《GB 151-1999 管壳式换热器》标准可知，换热器管束泄漏还有一重要因素就是，在管壳式换热器的壳程中，流体横向流过管束时，可能造成流体诱发振动，其主要成因是：

1）卡门漩涡振动；

2）紊流抖动；

3）流体弹性不稳定。

其中，卡门漩涡振动是最常见也是最容易发生的一种振动，且与流体流量息息相关。发生振动判断的依据：壳程流体为气体或液体时，卡门漩涡频率fv与换热管最低固有频率f之比大于0.5，就可能发生管束振动。卡门漩涡频率fv按下面公式计算：

其中：St——斯特罗哈数，可根据节径比S do查图得，S为换热管中心距，do为换热管外径，查图可得St=0.19；

V——横流速度。

其中：bmin指最小单排换热管间隙和，第一排换热管5根，拉杆2根。

bmin=2*0.0125+6*0.007=0.067ml1和l由图2可得：l1=333，l=300

图2 E-251管束结构图

进出口和折流板处的卡门漩涡频率：

下面来计算换热管的固有频率：

其中：λn为频率常数，可查多跨管频率常数图得该换热器一阶频率常数和二阶频率常数分别为9.5、10.0；

E为材料弹性模量：2.03*105；

d0和di为换热管外径和内径；

l0为折流板间跨距和折流板与管板间的缺口跨距，取较大值，故l0=0.7；

m 为单位换热管质量，且m=mt+mi+m0，mt为换热管单管质量，mi为换热管内流体的质量，m0为被振动管排开的虚拟的管外流体的质量；

mt=1.39kg/m（φ25*2.5换热管）；

mi=π*di2*ρi/4=3.14*0.022*806/4=0.253kg/m，

m0=π*d02*ρ0*CM/4=3.14*0.0252*3.0*2.7/4=0.004kg/m

di为换热管内径，d0为换热管外径；

CM为附加惯性系数，根据节径比可查为2.7；

ρi为管内流体（甲乙酮、仲丁醇）的密度等于806kg/m3，ρ0为管外流体（蒸汽）密度等于3.0kg/m3。

故m=1.39+0.253+0.004=1.647kg/m

一阶固有频率：

二阶固有频率：f2=121Hz

由于卡门漩涡频率与换热管最低固有频率的比值：

fv1/f1=82/115=0.713 ＞0.5

fv2/f1=91.05/115=0.792 ＞0.5

故在壳程进、出口及折流板缺口区，会产生卡门漩涡振动，导致换热管泄漏。

3 结语

（1）蒸汽再沸器在运行过程中，如果蒸汽量超过换热器设计参数，极有可能产生卡门漩涡振动，导致换热器泄漏。我装置另外一台换热器共沸物塔再沸器（E-160）也存在类似现象，大检修时也多次发现换热管发生泄漏的现象。尤其是冬季蒸汽管网压力低时，蒸汽密度降低，所需蒸汽量增大，流速增大，会进一步加剧换热管的振动。在日常操作管理中，要严格控制蒸汽流量在设计范围内，才能有效避免蒸汽再沸器的泄漏。如果实际需求蒸汽量超出设计量的应及时委托设计，更新参数适用的新换热器。

（2）蒸汽再沸器在设计时，需较多的考虑换热余量。使装置在操作中受蒸汽波动的影响减小，尽量避免蒸汽超流量的现象。