熱交換器チューブ振動解析

概要

熱交換器の設計または条件変更の際に、チューブ振動を回避する様に配慮することは、プラントの安全操業の面で重要となります。
従来のチューブ振動解析手法はHTRI（Heat Transfer Research, Inc.）の伝熱計算プログラム（Xist）を用いているため、一般的に安全サイドな評価となります。それが原因で装置稼動ロスを招くことになるため、精度の高い評価方法の確立が求められていました。
そこで当社では、より精度の高いチューブ振動評価を実施するために、HTRIの振動解析プログラム（Xvib）を用いたチューブ振動解析手法を採用しています。

ここでは、当社のチューブ振動評価方法について紹介します。

チューブ振動のメカニズム

チューブ振動のメカニズムには以下の3つの形態があります。図1に流量と振動強度の関係を示しました。図1の3に該当する振動形態（Fluidelastic instability）は振動強度が大きく、最も注意すべき振動形態となります。

図1. 流量と振動強度の関係

XistとXvibの比較

表1にXistとXvibの比較表を示します。Xvibの長所はFEM（有限要素法）を用いた厳密解析により、チューブ振動強度が大きいFluidelastic Instabilityおよび、Vortex Sheddingを精度良く計算できる点です。更に、チューブ一本ごとの振動解析を行えるため、損傷の可能性が高いチューブおよび位置をより明確にすることが可能です。

表1. XvibとXistの振動解析機能の違い

	Xist	Xvib
適用振動形態	・Fluidelastic instability ・Vortex shedding ・Turbulent buffeting ・Acoustic vibration	・Fluidelastic instability ・Vortex shedding
固有振動数の計算方法	スパン長さに基づく算術計算	有限要素法に基づく計算
振動モード	1次モードのみ	1～15次モード
解析対象チューブ	シェル内を3分割（Inlet／Central／Outlet）	チューブ1本ごとに解析
総括	・振動ダメージの発生確率を簡易的に評価・ダメージ発生チューブのスクリーニングに有効	振動ダメージの最も大きいFluidelastic instability、Vortex sheddingを精度良く計算可能

チューブ振動評価方法

詳細解析（Xvib）の評価方法

図2に示す熱交換器を例に、Xvibを用いたチューブ振動評価方法（手順2）について解説します。

1. 対象チューブの選定

Xvibは、FEM（有限要素法）に基づくチューブ振動解析を実施するので、まず振動に対して条件の厳しいチューブを選定することになります。
例えば図3に示すように、流速、チューブスパン等の観点から対象チューブを選定することとなります。

1：Impingement Baffle近傍のチューブ（Inlet部：流速MAX）
2・3：Baffle tip近傍のチューブ（ Central部、Outlet部：流速＆Tube Span MAX）

図3. 振動評価実施チューブの選定図

2. 解析条件の設定

対象チューブの位置および機器構造を考慮して、流速、流れ方向および減衰率を設定します※。

3. 評価方法

得られた解析結果について、Fluidelastic Instabilityについては臨界速度、Vortex Sheddingについてはチューブの振幅の観点から、チューブ振動による損傷の可能性を評価します。
例えば「3. Baffle tip近傍チューブ」の場合、図4から分かるようにAの部位で振幅が大きくなり、この近傍において損傷の可能性があると評価されます。

図4. チューブ振動の振幅（Xvib)

※XvibはXistと比較して、構造解析面では飛躍的に精度が向上していますが、流動解析面ではあまり向上していません（ただし、Xistでは設定できなかった「流速、流れ方向」を部位ごとに設定することが可能となりました）。

まとめ

Xvibを用いた熱交換器チューブ振動評価手法は、従来（Xistのみ用いた）の手法と比較して、解析精度が大幅に向上しただけでなく、チューブ振動による損傷箇所を詳細（チューブ毎、スパン毎）に特定することも可能となります。現在、チューブ振動評価結果と運転実績との比較検証、流動解析を活用したシェル流体の挙動把握等を通して、更なるチューブ振動解析の精度向上に努めています。

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