管壳式换热器振动分析和预防

杨洲

摘要：我国是一个能源大国，对能源的需求量不断年增加。目前，化工企业生产过程中，使用了大量的换热设备，而其中管壳式换热器最为常见，在化工装置稳定生产的过程中发挥了巨大的作用。但是在实际的检修、维护过程中，由于经费、时间等限制，在一定程度上降低了换热器的性能，降低了换热效果，影响了装置的平稳运行。根据多年来化工行业的实际工作经验，对管壳式换热器的检修方法与维护措施进行论述，希望能够有效提高换热器检修、维护效果，一定程度上推动装置的高效、平稳运行。

关键词：换热器;设计;振动;措施;HTRI

引言

1振动的危害

换热管的振动主要有以下危害：（1）管子与壳体、管子之间的碰撞。当换热管的振幅比较大时，管子与壳体、相邻换热管之间会发生相互撞击并产生磨损，使得换热管管壁不断减薄甚至穿孔、破裂。（2浙流板孔边缘对换热管的切割。换热管在振动时，折流板孔边缘不断地“切割”换热管，使换热管的损伤、甚至破裂。（3）破坏换热管和管板的连接。管子的振动会在换热管与管板的连接处产生交变应力，容易造成焊接点开焊，或是胀薄段与管本体段的开裂。[4）加剧腐蚀、扩大材料缺陷。管子的振动时的交变应力可导致换热管表面的膜层开裂以及脱落，加剧管子的腐蚀。另外，若材料在应力场中存在缺陷，或是存在间隙腐蚀，则振动很容易引起材料缺陷进一步的扩大。

2管壳式换热器的主要维护措施

2.1压力

换热器内部存在堵塞、结垢以及泄漏等情况时，就会造成流体进出口压力变化，因此定期对介质成分以及进出口压差进行检查就可以初步判定换热器内部堵塞、结垢以及泄漏的情况，发现压力变化较大时，应进一步进行分析，找出问题原因，继而采取恰当措施进行处理。

2.2选型调整及最终选型

换热器的振动的消除一般是降低壳程流体流速，或是加强管束的支撑来改变换热管的固有频率，使其处于临界流速以下以及避免共振的发生。根据前述对换热器的振动的计算分析，此例中，壳程流体流速已经比较低，继续降低流速对消除振动的作用不太明显，因此可考虑减小折流板的间距，以增强换热管束的抗扰动能力。另外，由于壳程的阻力降要求≤50kPa，折流板的间距减小会使得壳程流体流速增加，进而加大壳程的阻力降以至于超过阻力降限值，因此需要根据核算结果适当增加换热器的壳体直径或是采取增大管间距等措施。另外，结构的调整会影响换热器的面积余量，可以通过调整换热管的长度使面积余量位于合适的范围内。

最终调整后的的换热器选型如下：BEM型、简体直径750mm，换热管φ19×2mm，长度3.0m、689根，管间距25mm，管子30°排列。单弓形折流板，7块、上下缺，折流板中心间距300mm。

2.3保温

換热器外部的保温层能够有效阻止热量向外传输，这就能够提高换热器的传热效果，因此说保温层的损坏会进一步降低换热器的传热效率。此外，由于换热器保温层能够对壳体进行一定程度的保护，因此一旦发生破损，还会导致积水而引发器壁腐蚀，因此我们对于发现的破损部位必须及时修复，减小不良影响。

2.4增大临界横流速度和减小壳程横流速度

根据临界横流速度的计算公式分析，影响临界横流速度的因素比较复杂，需要综合考量。（1）增加换热管的固有频率是增大临界横流速度的有效方法。（2）在换热管的排列方式一定的情况下，增大临界横流速度可以通过增加节径比S/do来实现，通常的做法是增加换热管的间距，这样，壳程横流速度也同时减小。但是这种方法会增加壳体的直径，在一定程度上增加生产成本。（3）改变换热管的排列方式对临界横流速度也有影响。一般情况下，60°的布管方式临界横流速度最大。（4）减少壳程流量，采用双壳程F型换热器，冷凝器可采用J21型壳程;（5）采用双弓形或多弓形折流板或者窗口区不布管，增大壳程流体流通面积。

2.5换管

由于换热器大面积堵管会造成换热效果的严重下滑，因此我们在适当情况下应考虑使用换管的检修方法。在不严重的情况下，进行小面积换管时，我们可以使用特殊工具将泄漏管道拆除，而在大面积泄漏的情况下，我们应考虑到采购成本、安装成本的因素，如果整体更换管束较为浪费，我们也可以大面积换管。大面积换管时，可以使用螺纹拉力式或液压推进式拔管工具拉出管子，在清理板孔后，确保折流板孔以及板孔中心线仍旧对中，检查合格后再进行穿管。

在换管过程中，我们应注意管道的硬度要低于管板的硬度，而且在封管时，除胀接外主要使用焊接方法，焊接过程中应避免氢气孔的产生因此我们需要在焊接前，对作业部位进行预处理，保证管道清洁、空气干燥、减少空气中的湿气比例，提高焊接效果。现阶段，由于检修周期的限制，装置考虑到管束使用寿命、更换成本等因素，大面积换管极少采用，多为整体更换管束。

2.6其他防振措施

（1）在壳程的进出口设置防冲挡板、增大壳程接管尺寸或者采用环形蒸汽人口、加设导流装置等措施，减少蒸汽对管束的直接冲击，可有效防止振动产生。（2）在使用防冲挡板时，由于物料在挡板的作用下流向挡板边缘，使得挡板四周较近的管束受到物料冲击作用较大，容易产生振动现象。在此情况下，可采用防冲管进行消除，即增加部分空心或实心的管束在物料进口位置，从而分散物料对换热管的冲击，消除振动。（3）通过在管束中设置纵向隔板可有效的消除声振动。

结语

管壳式换热器的振动一般为流体诱发振动，壳程流体在横流过管束时，在一定条件下会形成涡流脱落、湍流激振，或是流体弹性不稳定等引起换热管的振动。因此，管壳式换热器的设计需要对振动进行分析计算，特别是流体弹性不稳定必须予以消除。在消除振动问题时，可采取结构尺寸的调整来降低壳程流体流速、加强管束的支撑等措施。另外，调整换热器结构尺寸时，需注意调整后换热器需满足工艺要求的阻力降、面积余量等限定条件。