換熱管是換熱器內(nèi)的核心部件，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)整體換熱性能和使用壽命有著重要影響。其中，振動(dòng)失效的主要形式為疲勞失效，一般而言，換熱管束最易發(fā)生疲勞失效的部位是管束與管程出入水管的聯(lián)接處，因此這些部位的疲勞強(qiáng)度是換熱器使用壽命的關(guān)鍵。由此可見(jiàn)，分析管束的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和支撐情況，是預(yù)防流體誘導(dǎo)振動(dòng)疲勞失效及提高換熱管疲勞壽命和換熱性能的重要手段。

疲勞失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)

Thorngren提出了破壞數(shù)理論，并定義當(dāng)破壞數(shù)的值不超過(guò)允許值時(shí)將視為安全情況。文獻(xiàn)總結(jié)了不同節(jié)徑比、不銹鋼管排列角和管束形式的換熱器，并分析了其振動(dòng)破壞情況，認(rèn)為振動(dòng)的破壞不僅和跨長(zhǎng)有關(guān)，并且排列角為o45時(shí)的情況更為嚴(yán)重，此外，U型管產(chǎn)生振動(dòng)的可能性相較直管更大?？偨Y(jié)并列舉了振動(dòng)破壞的多種形式，其中包括：碰撞破壞，管板接頭破壞，折流板處剪切破壞以及U型彎管處破壞等。

此外，工程上為了方便設(shè)計(jì)校核，國(guó)內(nèi)外均存在換熱器制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如:美國(guó)管殼式換熱器制造商(TEMA)標(biāo)準(zhǔn)，英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)的CODAP標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)的AD標(biāo)準(zhǔn)、日本的JISB8243標(biāo)準(zhǔn)，以及我國(guó)的GB/T 151-2014。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往是一個(gè)國(guó)家行業(yè)水平及技術(shù)成熟度的體現(xiàn)。

在內(nèi)容上經(jīng)過(guò)多次修正和迭代，GB/T 151-2014《熱交換器》涵蓋了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、制造檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、安裝操作及維護(hù)規(guī)范等多個(gè)方面，并在附錄中給出了關(guān)于流體誘發(fā)振動(dòng)的計(jì)算參考。

流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)失效研究

流體誘導(dǎo)振動(dòng)在設(shè)備使用過(guò)程中可能會(huì)引發(fā)交變應(yīng)力，長(zhǎng)期積累會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)造成的破壞占所有換熱器失效的總數(shù)的三分之一，屬于比較普遍出現(xiàn)的現(xiàn)象。

其中，文獻(xiàn)研究了不銹鋼換熱管誘導(dǎo)振動(dòng)失效問(wèn)題，認(rèn)為振動(dòng)造成了管束與管板間的焊縫破壞；文獻(xiàn)[40]對(duì)核電站用鈦板換熱器進(jìn)行了分析，認(rèn)為振動(dòng)相比海水腐蝕而言，是導(dǎo)致疲勞失效的主因。文獻(xiàn)討論了一氧化碳反應(yīng)器的振動(dòng)失效問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算渦脫頻率及裂縫特征，認(rèn)為卡曼渦街在一定頻率內(nèi)的抖動(dòng)加劇了裂縫延展，最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生。文獻(xiàn)認(rèn)為流體誘導(dǎo)振動(dòng)造成設(shè)備失效的主要形式是疲勞失效，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到周期性外力影響，且某部位最大應(yīng)力超過(guò)疲勞極限時(shí)便會(huì)產(chǎn)生。若長(zhǎng)期累積則會(huì)在最大應(yīng)力處產(chǎn)生裂紋，最終造成斷裂現(xiàn)象。綜上所述，換熱器振動(dòng)破壞情況可歸納為以下幾種形式:

（1）相鄰管子之間磨損：在流體激振作用下，管子由于振動(dòng)而產(chǎn)生位移，當(dāng)振幅較大時(shí)，便會(huì)與鄰近管束或換熱器壁面相撞，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管磨損變薄直至開(kāi)裂。

（2）折流板的切割：為了方便換熱管束的安裝，通常在折流板上預(yù)留出一部分孔徑，這會(huì)使換熱管與折流板之間產(chǎn)生空隙。因此當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，相對(duì)于換熱管的長(zhǎng)度而言，折流板的厚度較小，因此在二者接觸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨時(shí)間推移折流板便會(huì)對(duì)換熱管造成切割破壞。

（3）連接處失效：由于換熱管與管板之間屬于固支支撐，當(dāng)管束出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生撓性變形，進(jìn)而使連接部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力不斷累積便會(huì)導(dǎo)致該處焊縫開(kāi)裂而產(chǎn)生連接失效，并最終導(dǎo)致設(shè)備失效。

（4）材料缺陷：換熱管在加工過(guò)程中，由于材料本身的缺陷被振動(dòng)進(jìn)一步放大并擴(kuò)展，期間在缺陷部位易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)直至破壞。

（5）腐蝕磨損：換熱器中的流體介質(zhì)有些本身就有強(qiáng)腐蝕性，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，由于介質(zhì)與管壁間存在相對(duì)速度，因此很容易對(duì)換熱管壁面造成破壞。

減振措施與設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了避免以上振動(dòng)破壞的發(fā)生，采取合理的措施是十分有必要的。文獻(xiàn)針對(duì)氣相冷凝器管束長(zhǎng)期運(yùn)行后出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題作出改進(jìn)，一方面限制了入口流速，另一方面通過(guò)改善結(jié)構(gòu)增大了固有頻率，以此降低振動(dòng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[45]中針對(duì)低變氣再沸器管束爆裂及磨損問(wèn)題，采取了提升管壁厚度的減振措施，同時(shí)通過(guò)改善材質(zhì)來(lái)增加剛度，使得設(shè)備具有更好的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[46]分析了換熱器中各種可能發(fā)生的破壞形式，并相應(yīng)總結(jié)了幾項(xiàng)減振手段，例如：降低殼程流體流速，更換排布方式，采用更大剛度的材料，以及提升管束固有頻率等方法。文獻(xiàn)根據(jù)換熱器振動(dòng)的成因及其破壞形式，通過(guò)改變折流板與換熱管間距與尺寸，以到達(dá)減振效果。

綜合文獻(xiàn)分析，誘導(dǎo)振動(dòng)能迅速造成破壞的原因是由于共振現(xiàn)象的出現(xiàn)，若系統(tǒng)的固有頻率較低，流體激振便很容易達(dá)到固有頻率，從而引發(fā)共振。但若系統(tǒng)固有頻率較高，流體激振則相對(duì)難以達(dá)到固有頻率，引發(fā)共振也更為困難。因此，為到達(dá)減振目的，其中一個(gè)思路便是提高換熱管的固有頻率，加大共振發(fā)生的難度。具體實(shí)現(xiàn)方法可以是減少無(wú)支撐跨距，在管子折彎處設(shè)置支撐板等；其二是從來(lái)源出發(fā)，適當(dāng)降低降低殼程流體流速，以減少流體激振的風(fēng)險(xiǎn)，具體方式可以是在換熱器殼程流體入口處增大管徑，或是增加緩沖擋板以避免流體直接沖刷第一排換熱管；其三是改善換熱器部件的結(jié)構(gòu)，例如減小折流板間距、加大折流板厚度、增加換熱管的管壁厚度，減少換熱管與折流板之間的孔隙等。但采取上述措施提高換熱器穩(wěn)定性的同時(shí)，還需考慮降低流速帶來(lái)的能量損失，以及改變換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)換熱效率的影響。

文獻(xiàn)將JF因子作為評(píng)價(jià)換熱性能的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)分析了該因子的影響參數(shù)，最終得到了最佳折流板間距尺寸及缺口高度。此外，還討論了管殼式換熱器中降低流體激振頻率的方法，其中降低殼程流速能顯著降低流體激振頻率，而用雙殼程代替單殼程，以及改變折流板排布，也可在一定程度上降低流體激振頻率。但流速的降低會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降。

文獻(xiàn)研究了低流速盤(pán)管振動(dòng)工況的相對(duì)速度與溫度梯度協(xié)同度，結(jié)合場(chǎng)協(xié)同理論，分析并驗(yàn)證了振速方向與流動(dòng)方向間的夾角與對(duì)流換熱強(qiáng)度之間的聯(lián)系。

文獻(xiàn)研究了脈動(dòng)流誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)換熱強(qiáng)化的影響，結(jié)合熱流固雙向耦合模型，分析了振動(dòng)對(duì)邊界層流體的擾動(dòng)作用，以及對(duì)溫差驅(qū)動(dòng)力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)換熱管脈動(dòng)流誘導(dǎo)振動(dòng)的振幅大于管壁附近高溫滯留層厚度時(shí)，脈動(dòng)流誘導(dǎo)振動(dòng)對(duì)換熱產(chǎn)生強(qiáng)化作用。

由此可見(jiàn)，根據(jù)邊界層理論，流體誘導(dǎo)振動(dòng)通過(guò)增加流體邊界層的擾動(dòng)以實(shí)現(xiàn)換熱強(qiáng)化效果，于此同時(shí)，流體誘導(dǎo)振動(dòng)還有減少污垢熱阻產(chǎn)生的效果，因此在換熱強(qiáng)化領(lǐng)域也擁有一定的應(yīng)用意義。但流體誘導(dǎo)振動(dòng)可能對(duì)設(shè)備使用壽命造成的影響卻不可輕易忽視，因?yàn)樵O(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行是一切優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。所以在換熱強(qiáng)化與設(shè)備安全性的選擇之中，首要應(yīng)考慮的是保證設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。為使一臺(tái)換熱器可以被更加經(jīng)濟(jì)且有效地利用，需要對(duì)流體誘導(dǎo)換熱管振動(dòng)的疲勞壽命進(jìn)行估計(jì)。

疲勞壽命估計(jì)

Miner整合了Palmgren的累積損傷理論，提出了線性疲勞損傷理論，認(rèn)為疲勞損傷與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成線性關(guān)系，當(dāng)損傷累加到一定極限，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。該理論可用s—N曲線進(jìn)行描述。

文獻(xiàn)針對(duì)深海纜線的疲勞損傷進(jìn)行了研究，結(jié)合Miner理論與s—N曲線，比較了低頻海況與高頻海況的疲勞損傷，最終給出了深海纜線疲勞損傷較大的工況。文獻(xiàn)[53]對(duì)可變振幅載荷條件下，從Castillo概率s—N曲線中導(dǎo)出歸一化變量作為參考，并給出了基于Miner理論的不同載荷條件下疲勞損傷的概率分布模型。文獻(xiàn)[54]將Miner理論與臨界面法相結(jié)合，對(duì)多軸線性疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)估，定義了附加強(qiáng)化因子，考察了載荷性質(zhì)對(duì)非比例附加強(qiáng)化因子的影響。并且與等效應(yīng)變預(yù)估模型、最大剪切應(yīng)變幅模型進(jìn)行了比較，證明該模型能夠很好的描述比例加載及非比例加載的疲勞壽命。

綜上所述，線性累積損傷理論作為預(yù)測(cè)疲勞壽命的基本方法，擁有非常廣泛的用途，并且對(duì)于交變載荷而言，該方法具有較好的預(yù)測(cè)效果。而流體激振力恰好屬于交變載荷的范疇，因此適合采用該方法來(lái)計(jì)算其疲勞壽命。

當(dāng)對(duì)換熱管受流體誘導(dǎo)振動(dòng)的成因，以及換熱管的疲勞破壞有了基本的認(rèn)識(shí)后，有必要進(jìn)一步探討換熱管的振動(dòng)規(guī)律，并對(duì)換熱管產(chǎn)生振動(dòng)后的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。這是由于對(duì)換熱管振動(dòng)特性的分析不僅可為換熱器防振設(shè)計(jì)提供理論參考，其本身固有特性的求解也同樣是設(shè)備校核中的重要參數(shù)。因此，對(duì)換熱管振動(dòng)特性的研究，不僅有很強(qiáng)的工程實(shí)用背景，也能對(duì)換熱器防振設(shè)計(jì)起到重要的指導(dǎo)意義。