管壳式换热器中换热管的疲劳断裂分析文献综述

 2021-10-13 08:10

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换热器是石油、化工、制药、轻工和食品等行业中广泛使用的单元设备。在众多换热器类型中,钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强和选材广等优点在换热器的生产和使用数量上一直占主导地位[1]。管壳式换热器(shellandtubeheatexchanger)又称列管式换热器,是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器[2]。

管壳式换热器结构较简单,主要由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成[3]。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。流体每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程[4]。工作时,冷、热流体间通过管壁进行换热。

管壳式换热器一般能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型。随着强化传热技术的进一步发展,管壳式换热器在制造技术和传热性能上也在不断提高[5]。但在实际生产中,由于换热器使用条件的多样性,常伴有多种失效形式的出现,包括腐蚀失效和振动引起的疲劳失效[6]。对于换热器的腐蚀失效,最常见的腐蚀部位是换热管,然后依次是管板、换热器封头及小直径的接管。其中管束腐蚀的主要原因包括污垢腐蚀、流体有腐蚀性、管内壁有异物积累而发生局部腐蚀以及管端发生缝隙腐蚀等[7]。然而,在换热器众多的失效形式中,以振动和流体的流动而引起的疲劳破坏较为常见,流体诱导振动是传热管振动的直接内因,也是主要原因[8]。管壳式换热器在运行过程中,壳程流体的流动主要有纵向流动和横向冲刷两种状态[9]。由于操作工况具有多变性以及流动状态的复杂性,特别是流体在稳定状态流动时对管件产生的振动、流速的瞬时变化引起的振动以及各内部构件在工作过程中引起的共振等这些动力机械振动,都会引起换热管不同程度的受激振动。当诱导振动的频率域换热器的固有频率接近时,换热器就会产生强烈的振动。在振动引起的交变应力的作用下,换热器会发生疲劳断裂。其中管子是换热器中最富有挠性的部位,因此最易受激而振动[10]。管子的振动破坏通常发生在靠近管板处及与管板连接接口处,壳程进出口处管束外缘和在离折流挡板缺口顶端第二、三排管子,包括管束中两块折流支承板间最大的未支承的中间跨,U型管束U型弯头区等[11]。具体而言,换热管内由于振动而引起的疲劳主要表现在以下几方面:

(1)相邻管间磨损

当管子振动的振幅大到足以使相邻管子相互撞击,或边缘管不断撞击壳体,使换热管跨距中部处的撞击部位产生特有的菱形磨损形式,管壁不断减薄而至最后断裂[12]。

(2)管板与壳体连接处

换热器的壳体和管板在使用过程中承受着较大的温差应力和压力载荷的作用。[13]由于壳体温度载荷高,径向变形大,而管板温度载荷低,径向变形小,并且管板厚度大,抵抗变形的刚度也大,所以它对与管板连接地方的壳体约束就大,限制了壳体在高温载荷作用下引起的径向膨胀,形成局部应力集中。在压力载荷等因素的作用下,可能发生断裂破坏。管板和壳体之间不均匀的温度分布和管板具有较大的刚度,是引起结构应力集中的主要原因。[14]在正常操作工况的条件下,由于温度场的分布不均匀为主要因素,所以在满足结构强度的前提下,可以考虑适当降低管板的厚度。

(3)挡板与管子的锯割

由于安装的需要,一般挡板与管子间有间隙。当挡板较薄时,管子振动会在管壁与挡板孔之间产生较高应力,对管子有一种类似锯割的作用,换热管在折流板部位因磨损或剪切而失效,短时间内即可使管壁开裂[15]。

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