异型换热管模态试验研究

张玉祯，廖佰凤，周 丹

（1.东方电气 （广州）重型机器有限公司，广东 广州 511455；（2.广州创依科技有限公司，广东 广州 511455）

管壳式热交换器在电力、化工及新能源等行业得到广泛运用，换热管是管壳式热交换器的关键部件，也是管壳式热交换器的最薄弱部件。核电站的主设备蒸汽发生器和热交换器有40%出现过换热管破损事故，成为生产计划外停堆的一个重要原因[1-3]。

运行经验和可行研究表明，换热管的流体诱导振动及相关的磨损、微动接触疲劳是换热管破裂的主要原因[4-8]。热交换器管束流致振动机理理论通常包括周期性旋涡脱落、湍流抖振、声共振和流体弹性几种[9-13]，其中流致振动与换热管的固有频率息息相关。ASME规范第Ⅲ卷第1分卷 附录 N-1300(2018 年)[13]、TEMA—2019（10th Edition） “Standards of the tubular exchanger manufacturers association”[14]第 6 章节以及GB/T 151—2014《热交换器》[15]附录 C 中均规定了通用结构热交换器管束流致振动校核方法。

某些特殊场合使用的管壳式热交换器用换热管为非规则直管或U型管，例如某高温热交换器，因使用温度高，冷、热源温差大，为减少管束的热应力和轴向热膨胀量，管束设计为两端直段、中间为空间弯的异型结构，这种结构在相关标准[13-15]中未给定经验计算公式。为开展特殊用途的热交换器管束流致振动的精确评估，通常需要对管束进行动力特性研究[16-20]。

1 异型换热管模态试验

1.1 研究方法

针对安装在某高温热交换器内部的异型换热管及其支撑方式，建立1套试验台架，采用力锤激励法[20]，测定异型换热管的固有振动特性，获得前3阶固有频率和阻尼比等固有参数数据，了解前3阶振型。

1.2 试验方法

①采用力锤敲击法施加振动激励。②采用单点激振多点测量的测定方法，即力锤固定点激振，三向加速度传感器多点拾振，由此可获得频响函数矩阵的完整一列元素。③针对试验件长、测点多的特点，采用单点激振移动测点的方法进行试验，即同一方向用同样大小的力敲击试件的同一点，分别获得不同点的频率响应。

1.3 试件准备

1.3.1 整体结构

异型换热管试件及支撑结构见图1。试验测试对象是同心圆布置的热交换器，试件为热交换器中3根1排的换热管组及其关联的支承结构、管板、槽钢。换热管用304H材料制作，规格为ϕ16 mm×1.2 mm。换热管、支承结构采用螺栓或焊接方式固定在槽钢上，槽钢点焊在试验平台上。换热管及支承结构的尺寸均与工业装置热交换器产品相同，以最大限度还原换热管实际支撑和约束状态。

图1 异型换热管试件及支撑结构示图

1.3.2 支撑形式

异型换热管束为两端平直、中间折弯结构，调整换热管支撑间距形成3种换热管支撑方案，①弯管无支撑。②弯管有支撑。③调节直管支撑间距（弯管无支撑），见图2。

图2 异型换热管3种支撑方案

在试件直管段的槽钢上预留了3种支承位置所对应的螺纹孔，支承结构采用螺栓固定，可以移动至对应支承位置。弯管段支承结构采用焊接固定在槽钢上，在槽钢上预留支承位置对应的固定支架。

1.4 试验系统

异型换热管模态试验测试系统组成见图3，系统由4部分组成，①试件，提供测试对象。②激励系统，使测试对象产生振动，以力锤为激励。③测量系统，用传感器拾取振动信号，并记录数据，在每跨的中间位置布置1个测点加速度传感器拾取振动信号。在弯管区域布置了8个加速度传感器，精确地测试弯管区的振动情况。④模态分析系统，将激励信号和响应信号经过模数转换，采样输入到计算机，经过模态分析软件识别振动系统的模态参数。

图3 异型换热管模态试验测试系统示图

试验时，力锤敲击换热管产生振动激励，由力锤配套的力传感器拾取激励信号，加速度传感器拾取振动响应信号，通过数据采集测试仪采样，采集到信号通过计算机实时显示、分析和处理，并保存以便二次处理。

2 异型换热管模态试验数据分析

2.1 分析方法

对异型换热管的模态试验数据采用模态分析理论[14]进行分析。模态分析是计算固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数的过程。将线性定常系统振动微分方程组的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标以及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的各种模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。

2.2 分析软件

试验数据采用智能仪器处理。仪器包括数据采集与分析仪，其软件包括数据采集和模态分析两大功能。

数据采集软件实时采集力传感器及加速度传感器的时域信号，对其进行傅里叶积分，获得频响函数、相干函数等数据文件[14]。模态分析软件具有交互式三维建模功能、振动仿真功能以及模态参数识别功能，模态分析软件可读取工程结构的时频测试数据文件，其测试数据可以作为三维仿真运动的驱动数据，用以复现工程结构在真实运行环境中的振动状态。模态分析软件采用正交多项式频响函数拟合方法，通过有效地拟合测试的频响函数，可精确辨识出分析频段内实体结构的模态参数。

将数据采集软件输出的频响函数导入到模态分析软件，选取分析的频率段，通过峰值计算可获得相应的频率点、阻尼比。还可查看模态确信指标MAC值计算结果，MAC值范围为0～1。对于不同阶模态的2个向量，MAC值应接近于0，对于阶数、模态相同的2个向量，MAC值应接近1。将模型和模态分析的数据模块结合起来便可进行仿真分析，可获得完整振型图。

2.3 数据及分析

2.3.1 固有频率及阻尼比

经模态分析软件的后处理，可获得异型换热管的固有频率及阻尼，见表1。

表1 异型换热管固有频率试验结果

对比方案1和方案2的试验结果可知，弯管处布置支撑对异型换热管1～3阶固有频率没有明显影响，对一阶振型的影响是阻尼比比明显增大，对3阶振型的影响是阻尼比明显减小。对比方案1和方案3，改变支撑间距对固有频率及阻尼比均无明显影响。

2.3.2 振型

分别截取异型换热管1～3阶振动在y向和z向的投影，得到的振型图见图4～图6（图中数字表示测点的编号和位置），可见3种支撑方案的振型总体是一致的，局部有不同。

图4 异型换热管1阶振型图

图5 异型换热管2阶振型图

图6 异型换热管3阶振型图

1阶振动的主振型为xz面外振动，1阶振动振幅最大的是弯管区域，弯管区域主振动方向在z轴反方向，y轴方向小幅振动，弯管中间水平支撑点为节点，水平段仅在z轴方向做面内运动，1阶振动振型的最大幅见图4。

2阶振动的振型最大振幅也是出现在弯管区域，弯管区域的振动方式是在y轴及z轴方向扭曲运动，直管段的主振动为z轴方向的面内运动，见图5。

3阶振动的最大振幅出现在直管段，直管段是在y、z两个方向做旋转运动，2个弯管段分别在y轴方向和z轴方向做相互垂直的平面振动，见图6。

2.4 试验结果与有限元模态分析对比

为了验证实验室试验结果的可靠性，采用AbaqusV6.13有限元分析软件建立梁单元模型，对实验室试验的3种支撑方案下的异型换热管进行模态分析。模拟过程中，管板位置的约束设置为固支，直管段波纹钢带位置约束设置为周向和径向的位移，弯曲管段中平钢带位置的约束设置为径向位移。

对有限元方法和试验测试得到的1阶频率数据进行验证对比，结果见表2。

表2 异型换热管振动1阶频率数据验证对比

由表2的对比结果表明,1阶固有频率在150～170 Hz，有限元模态分析结果略大于试验结果，最大偏差为11.1%。产生偏差的主要来源是，①试件支撑台架影响。有限元模态分析中仅对换热管模型进行分析，而试验中换热管安装在槽钢平台上，槽钢平台又置于试验台架上，台架和平台与换热管束无法做到理想隔振，测试结果将受到一定的影响。②测试环境噪声。试验现场的环境振动对测试中振动信号会造成一定程度的干扰，影响试验结果的准确性。③支撑装配偏差。在试件制造过程中，换热管与支撑钢带的连接方式、装配尺寸等不可避免地存在制造公差，部分支撑装配存在间隙，而有限元模型为理想模型，在支撑处为完全约束。

3 结语

在弯管区增加2组支撑（方案2）对提高换热管的固有频率效果不明显，而且还增大了管束及支撑组件的装配难度。方案3在物料进出口位置的无支撑跨距虽然较方案1的减小，但对前3阶频率的影响极小，反而由于弯管附近的无支撑跨距变大导致前3阶频率有所降低。总体上，3种支撑方案下异型换热管的同一阶振型相近，支撑方案对振型影响不大。试验模拟了换热管装配的实际条件，但受支撑件、环境噪声及装配偏差的影响，与理想的支撑方式有限元分析结果相比，试验测得的固有频率普遍偏低，最大偏差为11.1%。在工程设计时需考虑预留相应的裕量，以确保设备的安全。