張穎 齊增杰 趙慧玲
摘 要:目前,在石化領(lǐng)域中間壁式傳熱型管殼式換熱器備受大眾關(guān)注,通常被應(yīng)用在真空至超高壓,低溫上升至高溫,且市場占有率達(dá)到了65%。當(dāng)石化裝置規(guī)模迅速擴(kuò)大,隨之管殼式換熱器順應(yīng)市場需求規(guī)格也不斷變大,因此換熱器管束振動(dòng)引發(fā)的換熱設(shè)施受損問題層出不窮,不光導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下滑,同時(shí)也埋下了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)?;诖耍瑩Q熱器設(shè)計(jì)中的振動(dòng)解析與防振設(shè)計(jì)備受設(shè)計(jì)技術(shù)員的重點(diǎn)關(guān)注。
關(guān)鍵詞:管式換熱器;振動(dòng);分析;預(yù)防
通過實(shí)踐證明了管殼式換熱器管束振動(dòng)基本原理與判斷依據(jù),隨即提議了預(yù)防管束振動(dòng)產(chǎn)生多樣化策略。并且利用換熱器核算軟件HTRI振動(dòng)解析板塊,針對(duì)某漿料預(yù)熱器實(shí)施了振動(dòng)模擬解析。經(jīng)過了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié),最終可在設(shè)計(jì)時(shí)段完成預(yù)防振動(dòng)產(chǎn)生。
一、分析管束形成振動(dòng)的基本原理與判斷依據(jù)
通過實(shí)踐證實(shí)引發(fā)管束振動(dòng)的誘因?yàn)榇怪庇诠苁鴻M向流引發(fā)振動(dòng)。當(dāng)下達(dá)成共識(shí)形成振動(dòng)的基本原理為卡門旋渦、紊流抖動(dòng)、流體彈性不平穩(wěn)與聲共振。而引發(fā)管束振動(dòng)起因非常繁雜,排除上述基本原理行業(yè)專家給出了射流不平穩(wěn)與轉(zhuǎn)換、兩相流靜壓脈動(dòng)、尾流擺動(dòng)等,基于此,在設(shè)計(jì)過程中,無法針對(duì)引發(fā)振動(dòng)的基本原理給出精準(zhǔn)的研判。
二、降低管式換熱器振動(dòng)預(yù)防策略
(一)提升換熱管固有頻率
按照換熱管固有頻率核算解析,換熱管固有頻率與管束支撐跨距平方成反比聯(lián)系,所以降低跨距為最直接的方式,且利用彈性模量較強(qiáng)的換熱管材料也能提升固有頻率,畢竟換熱管材料選用依據(jù)管程流體物性來決定,所以設(shè)計(jì)中無法利用替換材料完成預(yù)防振動(dòng)。針對(duì)上述對(duì)比解析得出結(jié)論,縮小跨距是提高換熱管固有頻率最佳方式。然而,在設(shè)計(jì)管殼式換熱器中,降低跨距通常利用下述方式:第一,折流板之間距離縮小;第二,選用NTIW型換熱管排列模式,在窗口區(qū)域無管設(shè)置,從而使折流板全部撐起了換熱管,然而,此方式縮減了分布管區(qū)間,勢必增加了殼程直徑,從而提升了加工費(fèi)用投入。第三,在U型管區(qū)域、折流板相互間及其殼程進(jìn)口與出口位置添加支撐。
(二)提升臨界與降低殼程橫流速率
第一,提升臨界橫流速率最直接方式為提升換熱管固有頻率。第二,當(dāng)換熱管排序固定狀況下,提升臨界橫流速率需利用提高節(jié)徑比S/do完成,常規(guī)操作為提升換熱管之間的距離,此時(shí)殼程橫流速率一并降低。然而,提升殼體直徑方式,實(shí)際上卻提升了費(fèi)用投入。第三,臨界橫流速率會(huì)因轉(zhuǎn)換了換熱管排列模式產(chǎn)生影響。通常操作下,臨界橫流速率60°布管方法是最大數(shù)值。第四,降低殼程流量,雙殼程F型換熱器投入應(yīng)用,而J21殼程為首選冷凝器。第五,增設(shè)殼程流體流通面積,可借助雙弓形或多弓形折流板,亦或窗口區(qū)間無設(shè)立布管。
(三)其它預(yù)防振動(dòng)策略
第一,在殼程進(jìn)口或出口設(shè)立防沖擋板,增設(shè)殼程接管規(guī)格,利用環(huán)形蒸汽入口,增添導(dǎo)流裝置等方法,減少蒸汽對(duì)管束撞擊,方才能預(yù)防振動(dòng)發(fā)生。第二,設(shè)立防沖擋板過程中,相關(guān)原料在擋板影響下流到擋板邊角,造成緊貼擋板周圍管束遭受原料影響非常大,極易形成振動(dòng)問題。因此,撤銷防沖管,之后提升部分空心或?qū)嵭墓苁O(shè)立在原料進(jìn)口,進(jìn)一步緩解原料對(duì)于換熱管撞擊,減輕振動(dòng)。第三,設(shè)立縱向隔板在管束中,最大程度減輕聲振動(dòng)。
三、HTRI換熱器核算流程具體使用
首先,預(yù)測管束振動(dòng)是極為繁雜的流程,需遵照振動(dòng)數(shù)據(jù)代入判定公式來實(shí)現(xiàn)人為核算,無法順應(yīng)設(shè)計(jì)相關(guān)需求。因此,人為核算已被精準(zhǔn)換熱器核算軟件所替換,并產(chǎn)生了積極的影響。然而,HTRI換熱器核算軟件是由美國傳質(zhì)及其傳熱協(xié)會(huì)研發(fā),將振動(dòng)解析板塊植入軟件中,可迅速預(yù)算出振動(dòng)狀況,更有利于設(shè)計(jì)人員科學(xué)制定下一步計(jì)劃,減少振動(dòng)原因干擾,研發(fā)出平穩(wěn)性高的換熱器。
接下來主要針對(duì)苯二甲酸工廠某漿料預(yù)熱器設(shè)計(jì)舉例,深入解析減少振動(dòng)具體策略。畢竟?jié){料壓力較大,同時(shí)需清洗,由于漿料按照管程,蒸汽按照殼程。且蒸汽量極大,優(yōu)選了J21型換熱器。而換熱管優(yōu)選了φ19 mm,排列角為30°,管中心間距為25mm,折流板距離550mm,單弓形折流板,且缺口保持37%,而防沖板設(shè)立在殼程入口。通過初期核算,換熱器直徑達(dá)到了1.1m,長度12m。高效換熱面積是773m。
然而,HTRI運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)顯示,第一,殼程流速臨界的入口與出口流速超標(biāo),第二,管束臨界流速入口80%超標(biāo),第三,支撐跨距不設(shè)置在出口。振動(dòng)警告在振動(dòng)報(bào)告中被標(biāo)明的非常清楚。緊接著對(duì)換熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)施微調(diào),而采用不相同方案完成預(yù)防換熱器振動(dòng)效果,當(dāng)中縮減折流板距離為最高效辦法。
而在HTRI軟件發(fā)出警告時(shí),只單純表明換熱器出現(xiàn)振動(dòng)的可能性,無法完全認(rèn)定會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象,則要通過大量數(shù)據(jù)核算來明確。但HTRI軟件只解析了單根管振動(dòng)板塊,假設(shè)換熱管束劃分為三個(gè)極易出現(xiàn)振動(dòng)區(qū)間,針對(duì)其中某管道采取了單根管振動(dòng)解析,且此管道內(nèi)無振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn),最終可推算出整體換熱器無振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)論。
針對(duì)案例中漿料采取預(yù)熱器振動(dòng)解析,率先把折流板距離降低到500mm,致使出口不具備支撐跨距,且在準(zhǔn)許最大數(shù)值范疇內(nèi),結(jié)果殼程入口流標(biāo)超標(biāo)警示無法消除。接下來不調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),需對(duì)極易形成振動(dòng)區(qū)間的單根管作出詳盡的振動(dòng)解析。最終振動(dòng)判斷數(shù)據(jù)為:Gap Velocity/Critical Gap Velocity< 1,且Max Vortex Shedding Ampltude <換熱管凈距一半,即為3mm。
此時(shí),需明確:HTRI具體振動(dòng)分析結(jié)論與GB/T 151-2014判斷數(shù)據(jù)不相同,因此,在設(shè)計(jì)中需盡全力利用不同方案來減少振動(dòng)警示。然而,在應(yīng)用不同方案之后,依舊無法獲得理想效果或防振動(dòng)投入較大,最終方才可經(jīng)過具體振動(dòng)解析來明確振動(dòng)狀況。
總結(jié)
總而言之,換熱器振動(dòng)基本原理非常繁瑣,其與換熱器管體原料、管束排序方法、管間距、折流板之間距離、殼側(cè)流體性質(zhì)與流動(dòng)狀況等息息相關(guān)。因此,匯總分析了引發(fā)管束振動(dòng)的基本原理,更有利于掌控不同振動(dòng)方式干擾原因,隨即給出不同防振策略。不僅如此,可利用換熱器軟件HTRI來核算振動(dòng)解析板塊,針對(duì)某工廠中預(yù)熱器實(shí)施振動(dòng)模擬解析,利用調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)方案,可在設(shè)計(jì)時(shí)段預(yù)防振動(dòng)的產(chǎn)生?;诖?,設(shè)計(jì)工作人員需重點(diǎn)關(guān)注換熱器振動(dòng)解析,充分了解引發(fā)管束振動(dòng)的基本原理,以此為根本探尋引發(fā)振動(dòng)起因與緩解振動(dòng)策略。此外,需重視設(shè)施制作費(fèi)用的投入,率先考慮性價(jià)比高的預(yù)防振動(dòng)策略。
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