管壳式换热器管束振动失效研究

周浩楠, 潘建华

（合肥工业大学a.机械工程学院；b.工业与装备技术研究院，合肥230009）

0 引 言

管壳式换热器因其结构简单、传热面积大、能承受高压和高温、操作管理方便，又具有较高的可靠性与广泛的适应性，在石油化工、核能等工业中得到普遍的应用。但是随着流速的提高和换热器尺寸大型化的发展，使得换热器振动与破坏的事故越来越多[1-3]。流体诱发振动机理主要有涡旋脱落、紊流抖振、流体弹性不稳定性和声共振。因此人们这方面做了很多工作，取得了一些成果[4]。

换热管是换热器中最容易发生失效的部位。跨距大的换热管或壳程流速高的区域的换热管在长时间的连续振动下会造成破坏[5]。另外在腐蚀和振动的联合作用下,致使在管板孔处、折流板管孔处和U形弯管部位的换热管不断反复振动摩擦因疲劳而断裂[6], 造成换热器内漏而局部失效，甚至整体报废。因此，探究流体诱导管束振动具有重大意义。

实验及相关案例表明，流体引起的换热管振动也是造成换热器疲劳失效的重要原因。为此国内外出台了很多标准，TEMA标准[7]、ASME锅炉压力容器规范[8]及GB/T 151-2014标准[9]是最常见的3种标准。

某石油化工厂在试车时发生了严重的换热管泄漏。具体情况如下：该大型换热器在循环水冲洗过程中发现比较严重的故障缺陷，在循环水入口侧第一排北起第19根、南起第19和第20根换热管断裂，折流板上表面处整排换热管均有损伤，且有损伤的换热管附近的拉杆松动，断管处管板孔没有倒角，边缘比较锋利。循环水出口侧换热管与折流板之间有明显的摩擦痕迹。

图1 换热器结构简图

1 实验和结果

1.1 化学分析

对换热管管材进行取样4件。采用火花式直读光谱仪对样本进行化学成分分析。分析结果见表2。管材中C、Si、Mn、P、S、Cr和Ni等成分都满足GB13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》[10]标准对00Cr19Ni10奥氏体不锈钢管材的要求。这说明换热管的管材都是合格的。

表1 换热器设计参数

1.2 金相检验

对管材取样，然后进行粗磨、细磨、抛光，经硫酸铜盐酸水溶液刻蚀后在金相显微镜下观察其金相组织，分析纵截面显微组织。图2给出了换热管横截面显微组织照片。由图2可见，换热管纵向显微组织为形变奥氏体和长条状分布的α铁素体。

表2 换热管化学成分质量分数 %

图2 换热管纵截面显微组织（400倍）

1.3 室温拉伸试验

从换热管截取全管段试样2件，利用万能拉伸试验机进行室温拉伸试验，其结果见表3。由表3可见，所取样换热管材质的屈服强度为270 MPa、抗拉强度为620 MPa、断后伸长率为64.0%，室温拉伸性能满足GB 13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》中对00Cr19Ni10材质无缝钢管的室温拉伸性能要求。

表3 换热管室温拉伸试验结果

1.4 形貌观察

对样本换热管断口进行拍照取样，图3给出了换热管断口宏观照片。由图3可见，换热管断口平齐，大约1/2周长有摩擦挤压的痕迹，并且在外壁靠近断口的部位色泽白亮。与其周围管壁的颜色明显不同。

图3 换热管断口宏观照片

对样本换热管断口进行取样并用电子显微镜进行观察。图4给出了换热管断口微观形貌照片。由图4可见，换热管断口处具有典型疲劳贝纹线征，大都呈平行分布，沿着换热管周向扩展，根据图4中微观观察可见，疲劳辉纹间距约0.1～1.0 μm，该疲劳辉纹扩展较快。

图4 换热管断口疲劳辉纹形貌（3000倍）

2 振动机理研究

2.1 漩涡激振

漩涡脱落频率按照国标GB/T151-2014中的公式进行计算：

式中：fs为卡门旋涡频率；St为斯特罗哈数；d为换热管外径；V为壳程液体横流速度。

2.2 湍流激振

湍流激振主频率多采用经验公式计算。

式中：ft为湍流激振主频率；L为换热管长度；T为管间距。

2.3 流体弹性不稳定性

流体弹性不稳定性会造成换热管振幅剧烈增大，使得管子在很短的时间内发生疲劳破坏。流体弹性不稳定性主要取决于临界横流速度。管束发生流体弹性不稳定时的临界横流速度Vc按下式计算：

式中：Kc为比例系数；fn为换热管固有频率；δs为质量阻尼参数；b为指数。

3 讨 论

本文通过对失效样品进行化学分析发现：样本中各种元素含量符合标准。室温拉伸实验表明失效样本能满足00Cr19Ni10材质无缝钢管的室温拉伸性能要求。根据金相检验结果发现，失效样本的微观组织是形变奥氏体和长条状分布的α铁素体，这是正常奥氏体不锈钢的金相组织。这说明材料的微观结构是正常的。通过以上测试结果证明换热管管材质量是合格的。因此，排除了因换热管管材质量问题导致换热管断裂的因素。

换热管断口宏观照片显示断口平齐，约1/2周长有摩擦挤压的痕迹，且在外壁靠近断口的部位色泽白亮。说明换热管与折流板发生了剪切和挤压作用。换热管断口微观形貌照片显示断口具有典型疲劳贝纹线征，大都呈平行分布，沿着换热管周向扩展，并且疲劳辉纹扩展速率较快。这是疲劳失效的典型证据。所以判定换热器在流体力的作用下发生了振动破坏。但是对于振动的机理并不明确。为了明确换热管失效的具体原因，采用现行的换热器设计标准(GB/T 151-2014)对换热管进行校核。校核结果如表4所示。

表4 换热管振动计算结果

从表4中可以看出，换热器进口处的横流速度明显超过了换热管的临界流速。因此，换热器管束有可能是因为流体弹性不稳定性的存在导致换热管发生振动。振动致使换热管与管板和折流板之间产生剪切和挤压。最终导致换热管失效泄漏。因此，导致该换热器管束失效的振动机理是流体弹性不稳定性。

4 结 论

通过对换热器管束的检测发现，管材的化学成分和力学性能符合相关国家标准；样品断口处出现大量的疲劳贝纹线呈平行分布，沿着换热管周向扩展。这说明管束周期性振动导致疲劳破坏的发生，经理论计算发现，该换热器的工况处在流体弹性不稳定区域，所以流体弹性不稳定性是导致管束振动的重要原因。因此得出结论：在当前工况下，换热器管束在流体周期力的作用下使得换热器管束发生疲劳破坏。这项研究为换热器设计制造提供了宝贵的经验，以防止再次发生类似的工业事故。