換熱器管束振動是一個常見的工程問題，可能導致管子磨損、泄漏、斷裂，甚至整個換熱器損壞，必須高度重視。振動通常由流體流動誘發，結合管束自身的結構特性（如固有頻率、支撐條件）共同作用。

    以下是管束振動的主要原因、后果及解決措施的詳細分析：

   一、 主要振動誘因（流體動力學機制）

卡門渦街脫落:

原理: 流體（特別是氣體或低粘度液體）橫向流經單根或管排時，在管子后方形成交替脫落的旋渦。這些旋渦會產生周期性變化的升力和阻力。

    當振動頻率接近管子或管束的固有頻率時，發生共振，振幅急劇增大，破壞性強。

湍流抖振:

原理: 高流速、高湍流度流體流經管束時，產生隨機的、寬頻帶的壓力脈動作用在管子上。

振動特點: 能量分布在一個較寬的頻率范圍內。雖然不如渦激振動共振那樣劇烈集中，但其能量峰值若接近結構固有頻率，也可能激發顯著振動，尤其當湍流能量較高時（高流速、復雜流動路徑）。持續的隨機振動可能導致疲勞破壞。

  流體彈性不穩定性:

原理: 管子在流體中因初始微小擾動而偏離平衡位置時，流體力的方向與位移方向耦合，導致其對管子的作用不是提供恢復力，反而是提供能量加劇振動（負阻尼效應）。

閾值速度: 存在一個臨界流速 V_c 。當橫向流速 V > V_c 時，振幅會迅速增大（自激振動），即使沒有外部周期性激勵（如渦街）也可能發生。 V_c 與管子質量、阻尼、剛度和流體密度有關。

風險: 一旦發生，破壞速度快、危害大，常在節徑比較大的正三角形排列管束中發生。

聲共鳴（氣動聲學振動）:

原理: 主要發生在殼側為氣體的換熱器中。流體流經管束時，會在殼程空間（垂直于管子軸向和流體流向） 產生平面聲波。

 二、 影響因素與加劇因素

流速過高: 是誘發振動最直接的因素。渦脫頻率、湍流能量、流體彈性不穩定性臨界速度都與流速正相關。

介質特性: 氣體因密度低，其 V_c 較高，但易引發聲共鳴。液體密度大，誘發流體彈性不穩定的 V_c 較低。

殼程入口/出口設計: 流速分布不均勻、突然膨脹/收縮產生強烈湍流或高速區。

管子排列方式: 旋轉正方形排列通常比正三角形或轉角正方形排列具有更好的防振性能（破壞旋渦形成路徑）。正三角形排列節徑比大，易誘發流體彈性不穩定。

管束結構:

固有頻率: 頻率過低易與激勵耦合。

跨度: 無支撐跨度越大，固有頻率越低。

支撐條件: 折流板缺口區（無支撐跨段）、支撐板數量少、支撐剛度和管孔間隙不足、管板約束不足都會降低抗振能力。

管束間隙: 過大會導致局部高流速和湍流。

兩相流: 汽液混合物流動狀態復雜、密度變化大，更容易激發振動。

制造與安裝誤差: 管子不直、折流板管孔間隙過大、支撐板安裝不齊導致支撐不均、管束組裝過松/過緊。

污垢: 增加管子質量（降低固有頻率），改變流道（可能形成局部高速流）。

操作條件: 偏離設計工況運行（如流量過大）。

 三、 振動帶來的主要后果

管子與管板/支撐板接觸處的磨損:

機理: 振動導致管子與支撐孔邊緣反復撞擊摩擦。

結果: 管壁減薄、穿孔泄漏。是常見的失效形式，磨損形狀常為橢圓形。磨損速率隨振幅和頻率增加而劇增。

管子疲勞斷裂:

機理: 持續的、特別是諧振下的交變應力導致材料疲勞裂紋萌生并擴展。

位置: 通常在磨損點附近、靠近管板或支撐板處發生斷裂。

焊接接頭或脹接接頭失效:

機理: 管端焊縫或脹接處承受振動應力循環。

結果: 焊縫熱影響區開裂、脹接松脫導致泄漏。

整體結構損壞:

后果: 折流板開裂或變形、拉桿/定距管斷裂、殼體劇烈震動甚至結構件開裂。聲共鳴尤其易導致此類破壞。

噪音污染與操作問題: 聲共鳴產生巨大噪音；震動過大影響儀表精度和操作安全。

 四、 解決方案與預防措施

解決思路：消除/減弱激勵源 和/或 改變結構響應特性（避免共振，提高強度/剛度）。

 設計與預防階段

流速控制: 核心措施！

殼程的允許流速: 基于TEMA標準、流體彈性不穩定性準則（如Connors公式）、旋渦脫落準則等計算限制流速。實際設計流速應低于臨界流速。

入口/出口設計優化: 增加防沖板、優化分布器設計，使流速分布更均勻，避免局部超速。

管束結構優化:

管子布置: 優先選用防振性能好的旋轉正方形排列。盡量避免過大的節徑比。

支撐設計:

增加折流板/支撐板數量: 減小無支撐跨度，提高固有頻率。對長跨度換熱器尤為重要。

優化折流板切口尺寸和形狀: 減少弓形區高速流，避免形成卡門渦街的條件。

使用防振支撐: 如雙支撐、三支撐折流板，瓦楞狀支撐條，抗振折流桿（Rods/Segmental Baffle組合）或新型的折流桿式支撐（Rods only）或螺旋折流板，它們能提供連續或多點支撐，限制管振幅，破壞旋渦形成路徑。管孔間隙嚴格控制。

端部支撐: 靠近管板的支撐板位置要靠近管板。

提高管子固有頻率: 選用更高彈性模量的管材（如用鈦合金代替銅合金），增大壁厚（同時增加剛度）。

抑制聲共鳴（針對氣側）:

設置擾流器/消聲隔板: 在聲波傳播路徑上插入縱向隔板（不是折流板），破壞駐波形成。

調整折流板間距: 改變聲模態的波長。

聲學分析: 預估聲駐波頻率，在設計中使其避開強流激頻率。

選擇合適的管束類型: 在特別易振的場合，考慮使用管束外旁路結構、增加縱向旁流擋板以降低殼程主流通區的有效橫流速度。

 在役換熱器出現問題后的對策

診斷確認:

振動監測: 測振儀、聲學探測器確定頻率、振幅和位置。

目視檢查: 檢修時重點檢查支撐孔處、管端的磨損痕跡。

無損檢測: 渦流檢測、內窺鏡檢查管子內壁磨損和裂紋。

流體分析: 確認實際工況是否超設計（流速、溫度、壓力）。

采取改造措施:

降速: 最直接有效！能否降低流量或在低流量運行？能否改用密度更高的流體？

增加支撐:

加裝中間支撐板/扁鋼: 在大的無支撐跨段中間添加支撐。

在現有支撐板間隙處插入防振條/填充管子（假管）: 增加對管子的約束。假管需要兩端焊接固定。

更換為標準支撐或抗振支撐: 如改用雙弓形折流板、折流桿等。

減小支撐孔間隙: 孔內加套或塞焊點（需謹慎）。

塞管或封堵部分管口: 犧牲換熱面積換取降低流速和湍流度（謹慎評估熱工性能）。

加裝擾流裝置: 插入隔板或肋片破壞流體流動結構。

維修損壞部件: 更換嚴重磨損或斷裂的管子，修復失效的支撐。

優化操作: 避免兩相流比例過高或工況突變（如減少蒸汽通量過快變化）。

制造與安裝質量控制: 確保管子直線度、支撐板對齊度、支撐板與管板的平行度、管孔間隙控制等符合設計要求。

總之，解決換熱器管束振動問題需要從設計源頭把關（特別是控制流速、優化支撐結構、合理選型），并在操作維護中持續監控。對在役設備的治理往往難度大、成本高，因此預防性設計至關重要。在設計新換熱器或對操作參數有重大改動時，進行詳細的流致振動分析是避免問題的關鍵步驟。