换热器横向载荷分析与校核

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1、换热器横向载荷分析与校核摘要：本文分析了流体横向载荷对管壳式换热器管束的影响,对横向载荷作用下管子破坏进行了理论分析,并提出了横向载荷作用下管子的校核计算理论和校核方法。关键词：薄壁管换热器横向载荷强度理论1、前言　　随着石油化工设备的大型化,为使结构紧凑,换热器往往采用小管径薄壁管,由横向载荷引起的破坏事故时有发生,其中贵重金属(如Ti)薄壁管,问题尤其严重。据分析,横向载荷造成的机械破坏形式有:管子疲劳破坏、管子与壳体之间的碰撞破坏、折流板对管子的剪切破坏、管子与管板连接处松脱泄漏。因此在换热器设计中,尤其是薄壁管换热器设计,对上述情况均应加以校核。2、横向载荷对管束的影响　　在管壳式

2、换热器中,为强化传热,通常设置了折流板,壳体中的流体是以横向即垂直于管束轴线方向通过管束。流体横向载荷对换热器的影响主要是引起管束振动和强度破坏。2.1振动分析　　流体横向载荷引起管束振动主要有阻尼弹性振动、共振两种形式。2.1.1阻尼稳定性理论　　阻尼稳定性理论或称能量理论,是假定流体横向流经管子所产生的激振力对管子所作的功,等于管子系统阻尼振动力衰减所消耗的能量。此时称之为振动的临界状态,对应的流体流速称为不稳定临界流速(uc)。当流体的流速大于uc时,即流体激振力所作的功大于管子阻尼能量,管子便会产生不稳定的弹性振动。由此可知,通过计算一定管束结构条件下的阻尼能量和流体流经管束时所作

3、的功,可确定不稳定临界流速uc。uc=Bf1(mDQ)1ˆ22.1.2　共振理论　　当载荷扰动频率与管束的管束自振频率相等时,管束发生共振。共振主要在下面几种情况下发生。　　(1)卡漫旋涡　　流体流经管束时,管子背后有卡漫旋涡产生,当旋涡自管子表面脱落频率与管束自振频率相等时,管束发生共振。卡漫旋涡脱落频率fv可按下面公式计算:fv=StVˆdo　　(2)紊流抖动　　对于节径比小于1.5的密排管束,难以发生卡漫旋涡脱落,但壳体紊流旋涡使管子受到随机波动的作用力,而且紊流有一个相当宽的频带,当频带中的某一频率与管子任一自振频率接近或相等时,会导致管子大振幅振动。这一频率称

4、为紊流抖动主频率ft,其计算式为:ft=Vdo[3.05(1-doˆT)2+0.28]ˆ(LT)　　(3)声振动　　当壳体介质为气体或蒸汽时,在与流体流动方向和管子轴线方向都垂直的方向上会形成声学驻波,如果声学驻波的频率与管束的自振频率、卡漫旋涡脱落频率或紊流抖动频率一致,便激发起声学驻波的振动,因而产生强烈的噪声。声学驻波的频率fa计算公式为:fa=nCˆ(2D)2.2　强度理论　　强度理论是将管子视为受均布载荷的梁,管板端为固定端,支撑板端为简支端,由此可计算出梁(管子)的应力及挠度,以评定其是否安全。管子的最大应力Rr出现在固定端,最大剪应力S出现在简支

5、端,两支撑板中间位置有最大挠度y。　　当Rr≤[R]、S≤[S]=0.5[R]时,管子不发生强度破坏。当y≤(T-do)时,不会发生管子碰撞。由此可得到对应的临界流速:uc1={K1[R](do4-di4)ˆ(BKCLQLdo2)}1ˆ2uc2={K2[R](do2-di2)ˆ(BKCLQLdo2)}1ˆ2　uc3={K3E[R](do2-di2)(T-do2)÷(BKCLQLdo2)}1ˆ2　　鉴于篇幅,上述公式理论推导从略。3、横向载荷校核　　通过上述分析,在横向载荷作用下,换热器管束应进行下述校核:　　(1)稳定校核　　为防止管束发生

6、不稳定的弹性振动,换热器管束间流体流速应小于不稳定临界流速,即:u≤uc　　(2)共振校核　　对于一定结构的管束,自振频率f按下式计算:f=35.2C[E(do4-di4)ˆ(mL4)]　　操作条件下,换热器不应发生共振,即卡漫旋涡、紊流抖动、声学驻波频率应远离管束自振频率。因此,要求换热器满足下面条件[3]:fvˆf<0.5,ftˆf<0.5,0.8<f/fa<1.2　　(3)强度校核　　换热管束强度校核包括管子弯曲、剪切及碰撞三种情况,但实际上管子很少发生弯曲破坏,通常在发生弯曲破坏前,管子与管板连接处已出现泄漏。因此工程应用时,可

7、仅考虑剪切与碰撞两种破坏。换热器管束间流体流速应小于剪切及碰撞两种情况下的临界流速:u≤uc2,u≤uc34、结语　　换热器管束在横向载荷作用下,管束所处的状态较为复杂。横向载荷造成的机械破坏形式也较多,有管子疲劳破坏,管子与管子、管子与壳体之间的碰撞破坏,折流板对管子的剪切破坏,管子与管板连接处松脱泄漏等。管束振动是一复杂过程,在设计中应使换热器操作远离不稳定的弹性振动及共振区,同时保证在横向载荷作用下管子不发生强度破