換熱器橫向載荷分析與校核

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1、換熱器橫向載荷分析與校核摘要：本文分析了流體橫向載荷對管殼式換熱器管束的影響,對橫向載荷作用下管子破壞進行了理論分析,并提出了橫向載荷作用下管子的校核計算理論和校核方法。關鍵詞：薄壁管換熱器橫向載荷強度理論1、前言　　隨著石油化工設備的大型化,為使結構緊湊,換熱器往往采用小管徑薄壁管,由橫向載荷引起的破壞事故時有發(fā)生,其中貴重金屬(如Ti)薄壁管,問題尤其嚴重。據(jù)分析,橫向載荷造成的機械破壞形式有:管子疲勞破壞、管子與殼體之間的碰撞破壞、折流板對管子的剪切破壞、管子與管板連接處松脫泄漏。因此在換熱器設計中,尤其是薄壁管換熱

2、器設計,對上述情況均應加以校核。2、橫向載荷對管束的影響　　在管殼式換熱器中,為強化傳熱,通常設置了折流板,殼體中的流體是以橫向即垂直于管束軸線方向通過管束。流體橫向載荷對換熱器的影響主要是引起管束振動和強度破壞。2.1振動分析　　流體橫向載荷引起管束振動主要有阻尼彈性振動、共振兩種形式。2.1.1阻尼穩(wěn)定性理論　　阻尼穩(wěn)定性理論或稱能量理論,是假定流體橫向流經(jīng)管子所產生的激振力對管子所作的功,等于管子系統(tǒng)阻尼振動力衰減所消耗的能量。此時稱之為振動的臨界狀態(tài),對應的流體流速稱為不穩(wěn)定臨界流速(uc)。當流體的流速大于uc時

3、,即流體激振力所作的功大于管子阻尼能量,管子便會產生不穩(wěn)定的彈性振動。由此可知,通過計算一定管束結構條件下的阻尼能量和流體流經(jīng)管束時所作的功,可確定不穩(wěn)定臨界流速uc。uc=Bf1(mDQ)1?22.1.2　共振理論　　當載荷擾動頻率與管束的管束自振頻率相等時,管束發(fā)生共振。共振主要在下面幾種情況下發(fā)生?！　?1)卡漫旋渦　　流體流經(jīng)管束時,管子背后有卡漫旋渦產生,當旋渦自管子表面脫落頻率與管束自振頻率相等時,管束發(fā)生共振?？郎u脫落頻率fv可按下面公式計算:fv=StV?do　　(2)紊流抖動　　對于節(jié)徑比小于1.5的

4、密排管束,難以發(fā)生卡漫旋渦脫落,但殼體紊流旋渦使管子受到隨機波動的作用力,而且紊流有一個相當寬的頻帶,當頻帶中的某一頻率與管子任一自振頻率接近或相等時,會導致管子大振幅振動。這一頻率稱為紊流抖動主頻率ft,其計算式為:ft=Vdo[3.05(1-do?T)2+0.28]?(LT)　　(3)聲振動　　當殼體介質為氣體或蒸汽時,在與流體流動方向和管子軸線方向都垂直的方向上會形成聲學駐波,如果聲學駐波的頻率與管束的自振頻率、卡漫旋渦脫落頻率或紊流抖動頻率一致,便激發(fā)起聲學駐波的振動,因而產生強烈的噪聲。聲學駐波的頻率fa計算公式

5、為:fa=nC?(2D)2.2　強度理論　　強度理論是將管子視為受均布載荷的梁,管板端為固定端,支撐板端為簡支端,由此可計算出梁(管子)的應力及撓度,以評定其是否安全。管子的最大應力Rr出現(xiàn)在固定端,最大剪應力S出現(xiàn)在簡支端,兩支撐板中間位置有最大撓度y?！　‘擱r≤[R]、S≤[S]=0.5[R]時,管子不發(fā)生強度破壞。當y≤(T-do)時,不會發(fā)生管子碰撞。由此可得到對應的臨界流速:uc1={K1[R](do4-di4)?(BKCLQLdo2)}1?2uc2={K2[R](do2-di2)?(BKCLQLdo2)}1?

6、2　uc3={K3E[R](do2-di2)(T-do2)÷(BKCLQLdo2)}1?2　　鑒于篇幅,上述公式理論推導從略。3、橫向載荷校核　　通過上述分析,在橫向載荷作用下,換熱器管束應進行下述校核:　　(1)穩(wěn)定校核　　為防止管束發(fā)生不穩(wěn)定的彈性振動,換熱器管束間流體流速應小于不穩(wěn)定臨界流速,即:u≤uc　　(2)共振校核　　對于一定結構的管束,自振頻率f按下式計算:f=35.2C[E(do4-di4)?(mL4)]　　操作條件下,換熱器不應發(fā)生共振,即卡漫旋渦、紊流抖動、聲學駐波頻率應遠離管束自振頻率。因此,要求換

7、熱器滿足下面條件[3]:fv?f<0.5,ft?f<0.5,0.8<f/fa<1.2　　(3)強度校核　　換熱管束強度校核包括管子彎曲、剪切及碰撞三種情況,但實際上管子很少發(fā)生彎曲破壞,通常在發(fā)生彎曲破壞前,管子與管板連接處已出現(xiàn)泄漏。因此工程應用時,可僅考慮剪切與碰撞兩種破壞。換熱器管束間流體流速應小于剪切及碰撞兩種情況下的臨界流速:u≤uc2,u≤uc34、結語　　換熱器管束在橫向載荷作用下,管束所處的狀態(tài)較為復雜。橫向載荷造成的機械破壞形式也較多,有管子疲勞破壞,管子與管子、管子與殼體之間的碰

8、撞破壞,折流板對管子的剪切破壞,管子與管板連接處松脫泄漏等。管束振動是一復雜過程,在設計中應使換熱器操作遠離不穩(wěn)定的彈性振動及共振區(qū),同時保證在橫向載荷作用下管子不發(fā)生強度破壞。因此,應對橫向載荷計算作全面校核,小管徑薄壁管和貴重金屬薄壁管等?！　×黧w橫向激振力是誘發(fā)振動的主要原因,因此設計上應盡量減小