典型的管壳式换热器知识培训教材

内容4振动带来的危害横向流诱发振动的原因防振措施振动带来的危害5振动所带来的危害6传热管的碰撞、磨损管子的疲劳破坏（微动疲劳）管子与管板连接处发生泄漏壳程空间发生强烈的噪声增加了壳程的压力降工程中实例7杨子石化公司钛冷凝器的失效PTA装置12台钛冷凝器(总价值1个亿)，经过十年左右的运行，均发生了不同程度的管子泄漏等失效型式严重影响了化工厂生产和循环水系统的稳定运行泄漏还导致冷凝器壳体、膨胀节、管板、循环水系统设备等发生不应有的腐蚀与损坏。失效原因:主要原因为管束振动引起的疲劳失效。工程中实例8工程中实例9工程中实例10流致振动11注意：机械振动常见故障原因一般有；不平衡、不对中、弓轴、支撑松动故障、齿轮故障、转子摩擦、滚动轴承故障等12不同于机械振动，流致振动是指物体或结构被流体激发的振动，即工程结构往往会由于流体特殊的力学作用而产生的振动现象。流致振动关系图13流致振动的分类1415微动疲劳16微动疲劳17微动磨损：两构件在接触面上很小的，反复的相对滑动，造成构件表面的机械损伤。考动疲劳研究就是：在原有结构疲劳问题中进一步考虑微动磨损的影响微动疲劳18微动疲劳19微动疲劳影响疲劳强度的主要原因20微动诱发了微裂纹的产生在裂纹扩展第一阶段，除了拉伸型应力强度因子外，还有剪切型应力强度因子，加速了裂纹的扩展传热管的磨损21传热管的磨损222324传热管的磨损25传热管的磨损26传热管的磨损27传热管的磨损28传热管的磨损29传热管的磨损30传热管的磨损31核电站中蒸发器传热管判废准则横向流诱发振动的机理32横向流诱发振动的原因(1)331卡曼漩涡横向流诱发振动的原因(1)341卡曼漩涡横向流诱发振动的原因(1)35卡曼漩涡自管子脱落的频率fv=St×V/d0

1/sV-管束中最小自由截面处流速,m/sd0-管子外径，mSt-斯特罗哈准数，无因次，可查下图横向流诱发振动的原因(1)36当卡曼漩涡脱落的频率等于管子的自振频率时，管子便发生剧烈的振动37注意！38横向流诱发振动的原因(2)39紊流抖振(湍流颤振)壳程流体的极度紊流漩涡使管子受到随机的波动作用力，紊流有很宽的频带发生在节径比P/d0小于1.5的密排管束横向流诱发振动的原因(2)40紊流抖振动的频率(经验公式)V-管束中最小自由截面处流速,m/sd0-管子外径，ml,T-管子间距横向流诱发振动的原因(3)41声振动发生在壳程流体为气体的换热器中气体进入壳程后，在与流动方向与管子轴线都垂直的地方会形成声学驻波，如驻波与漩涡脱落频率或紊流抖振频率一致，便激发声学驻波的振而产生强烈噪声，甚至使壳体破坏横向流诱发振动的原因(3)42声学驻波示意图横向流诱发振动的原因(3)43声学驻波横向流诱发振动的原因(3)44声学驻波的频率fv=nC/2D

1/sn-驻波阶数，无因次C-在壳程流体中声音传播速度

D-特征长度，一般指壳体内径横向流诱发振动的原因(4)45流体弹性激振首先是因为管子的运动而造成激振频率不仅与流速有关，还与周围管子的共振频率有关。流体弹性激振属于自激振动，一旦开始，振幅将急剧增大。管子开始振动的流体速度称为临界横流速度Vc横向流诱发振动的原因(4)46临界横流速度Vcβ-参数,与管子排列方式，管子的节径比有关fn-管子自振频率，1/sδ-管子对数衰减率，与材料、支撑、流体有关，无因次m-管子单位长度有效质量

kg/mρs-壳程流体的密度kg/m3横向流诱发振动的原因(5)47射流转换横向流体以很高速度流经节径比很小的管子时，在尾流中可观察到射流对的出现。（很高时V/fnd0>75）横向流诱发振动的原因(总结)48横向流速低时卡曼漩涡紊流抖振声振动（壳程流体为气体时）横向流速高时流体弹性激振射流转换引起的管子振动（很高时V/fnd0>75）管子的自振频率49几个概念自振频率（固有频率）基频管子的自振频率-单跨管50管子的自振频率-单跨管51X=0时,y(0)=y’(0)=0X=l时,

y(l)=y’(l)=0管子的自振频率-多跨管52实际换热器中的管子都是多跨管（跨距相等）将管子两端看为固支，中间折流板处看作简支求解的思路：可利用边界条件，及折流板支撑处的连续条件振动的判据531准确确定振动计算所需的参数如管子自振频率及阻尼，流体弹性参数β,

St2

实际上,要准确预测换热管的振动很困难，况且各种振动机理可能联合作用，为可靠起见，设计时要防止各种激振振动的判据543振动的判据55防振措施56防振措施(1)571降低流速降低壳程流量或流速（反之也降低生产能力）b)增加管间距来降低流速(反之壳体直径增大)

c)改变管束的排列角也可降低流速d)设置防冲挡板或导流筒防振措施(1)58防振措施(2)592改变管子的自振频率a)减小管子跨距（最有效方法）增大管子弹性模量或惯性矩（不现实）管子间隙处插入板条或杆状物（对U型管很实用）d)在折流板缺口处不布管e)减小管子与折流板间隙与加厚管板(改变不了频率，减轻了管子所受折流板割据作用，增加系统阻尼)防振措施(3)603设置消声隔板在壳程设置平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板，可以有效降低噪声。防振措施(4)614抑制周期性的漩涡a)沿管子周向缠绕金属丝，或沿轴向设置金属条可改变流场，抑制或消弱周期性漩涡防振措施(4)624抑制周期性的漩涡b)采用折流杆代替传统的折流板可防振，强化传热、减少污垢，减少壳程压力降防振措施(4)63管壳式换热器中横向流动诱发振动的主要原因是什么？声振动是由什么引起的，一般发生的介质是液体还是气体？管壳式换热器防振的措施有哪些？64回顾与思考？谢谢！Thank

you

！华东理工机械与动力工程学院65第3讲

医学超声成像技南方医术科术大学汇报人姓名主要内容超声成像基本原理——超声回波法医学超声设备的分类超声诊断仪的主要参数7/24/2023医学超声仪器原理讲义66Part

.01超声成像基本原理——超声回波法超声回波法把几兆赫至几十兆赫的高频声脉冲发射到生物体内，再接收反射波（回波），这种方法称为超声脉冲回波法。脉冲宽度：几微秒脉冲间隔：几百微秒（接收放大器处理回波的时间）脉冲回波法最早较早是应用于雷达和声纳。回波时间t、探测距离L的关系，c为声速7/24/2023医学超声仪器原理讲义687/24/2023医学超声仪器原理讲义697/24/2023医学超声仪器原理讲义70超声回医学波超声仪器法原理讲示义

意图7/24/202371仪器基本框图发射通道：时钟电路（同步脉冲发生器）、发射器（高频脉冲发生器）、换能器（探头）接收通道：接收换能器、射频放大器（RFA）、7/2检4/2023

波及抑制电路、视频医学超声放仪器原大理讲义器（UFA）72Part

.022医学超声设备的分类A型超声A型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制

(Amplitude

Modulation)而得名。A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极射线管(CRT)荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度，故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小。根据回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，7/2还4/2023

可在一定程度上对病医学超声灶仪器原进理讲义行定性分析。747/24/2023医学超声仪器原理讲义75由于A型显示的回波图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要

的解剖图形，且诊断的准确性与操作医师

的识图经验关系很大，因此其应用价值已

渐见低落，即使在国内，A型超声诊断仪也很少生产和使用了。7/24/2023医学超声仪器原理讲义76M型超声7/24/2023医学超声仪器原理讲义77M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为M型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫做超声心动图。7/24/2023医学超声仪器原理讲义787/24/2023医学超声仪器原理讲义79M型超声诊断仪发射和接收工作原理与A型有些相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的A型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。因此，M型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。图中可以看出，由于脏器的运动变化，活动曲线的间隔亦随之发生变化，如果脏器中某一界面是807/2静4/2023

止的，活动曲线将变医学超声为仪器原水理讲义平直线。7/24/2023医学超声仪器原理讲义81M型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但M型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。7/24/2023医学超声仪器原理讲义82B型超声7/24/2023医学超声仪器原理讲义83为了获得人体组织和脏器解剖影像，继A型超声诊断仪应用于临床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超声成像仪又先后问世，由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示，通常将这类仪器称为超声断层扫描诊断仪。虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(Brightness

Modulation)而得名，其影像所显

示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称

剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。7/24/2023医学超声仪器原理讲义847/24/2023医学超声仪器原理讲义85C型超声C型扫查，又称C型显示，“特定深度扫查”

(constant

depth

mode)。与B型扫查一样都是辉度调制的二维切面象显示方式，所不同的是B型扫查所获得的是超声波束扫查平面本身的切面象，即纵向切面象。可惜由于C型扫查的灵敏度较低，显象速度不易提高，使C型扫查技术的发展受到7/2限4/2023

制。医学超声仪器原理讲义

867/24/2023医学超声仪器原理讲义877/24/2023医学超声仪器原理讲义88D型超声D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。超声多普勒诊断仪主要分为3种类型：即连续式超声多普勒(continuous

wave

doppler)成像诊断仪脉冲式超声多普勒(pulsed

wave

doppler)成像诊断仪实时二维彩色超声多普勒血流成像(color

doppler897/24/2023

flow

image)诊断仪。医学超声仪器原理讲义F型超声90F型扫查，又称F型显示。它与C型扫进原理上是相似的。区别仅在于：在扫查一幅图像的过程中，

C型扫查平面距探头的深度是不变的，而F型扫查面距探头的深度是一变量，不是一个常量。根据成像需要可作相应变动，从而可获得7/2斜4/2023

面、曲面的F型医图学超声仪像器原理讲义7/24/2023医学超声仪器原理讲义91P型超声7/24/2023医学超声仪器原理讲义92又称P型显示，它可视为一种持殊的B型显示，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。P型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫

描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。7/24/2023医学超声仪器原理讲义937/24/2023医学超声仪器原理讲义94Part

.013超声诊断仪的主要参数主要参数7/24/2023医学超声仪器原理讲义96表征超声诊断仪性能的参数，从大的方面可分为三类，这就是：声系统参数

图像特性参数

电气特性参数在众多的参数中，我们只讨论其中几个主

要参数。声系统参数：声输出的强度、总功率等；

超声场的时频特性，如波型、持续时间、脉冲重复频率、脉冲形状、频率、脉冲带宽等；

声场分布特性，如换能器类型、波束形状、聚焦特性、景深等。7/24/2023医学超声仪器原理讲义97图像特性参数：分辨力；位置记录精度；深度测量精度；帧频；存贮器的容量；图像处理能力。7/24/2023医学超声仪器原理讲义98电气特性参数：灵敏度；增益及TGC指标；压缩特性及动态范围；显示器的动态范围；系统的带宽等。7/24/2023医学超声仪器原理讲义99Part

.02几个主要参数动态范围显示信号的最大水平与最小水平的比称为动态范围(Dynamic

Range,DR)，DR描述了信号幅度变化的大小，一般用分贝[dB]值表示。式中：Umax—信号最大值，Umin

—信号最小7/24/2值023101医学超声仪器原理讲义生物组织的声界面特性，组织吸收（超声衰减）特性及探测深度决定了信号的动态范围7/24/2023医学超声仪器原理讲义102因此动态范围DR通常由两个部分组成：声界面特性（声阻抗差）所确定的信号幅度变化（SDR）超声在组织传播过程中衰减所引起的信号幅度变化，超声传播衰减取决于组织特性（超声衰减系数

）与传播距离（L）由此超声回波总动态范围可写为：DR

=

2 L

+

SDR对动态范围的影响因素7/24/2023医学超声仪器原理讲义103超声在生物组织中传播所产生的全部回波；

超声发射功率、接受放大器的等效输入噪声；终端显示装置的动态范围；动态压缩方法时间增益控制——补偿传输衰减幅度增益控制——使有用信号相对压缩线形范围线性范围，一般指的是仪器中放大器线性范围，它给出放大器输入信号和输出信号之间成线性关系的区域。即Uo

=

KUi线性关系也用分贝值来表示式中：Umax—信号最大值，Umin

—信号最小值，可7/24/20见23线性放大器的线性医学范超声仪围器原理讲即义

是动态范围1047/24/2023医学超声仪器原理讲义105当输出信号的最大幅度保持不变时，输入信号的线性范围将随着K值的减小而增大。7/24/2023医学超声仪器原理讲义106分辨率7/24/2023医学超声仪器原理讲义107分辨力指成像系统能分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。超声显像仪的分辨力是衡量其质量好坏的最重要的指标，分辨力越高，越能显示出脏器的细小结构。7/24/2023医学超声仪器原理讲义108超声成像的分辨力有横向分辨力和纵向分辨力之分。前者是指垂直于超声脉冲束方向上的分辨力，后者是沿波束轴方向上的分辨力。这两种分辨力的大小差别很大，纵向分辨力总是优于横向分辨力。而且，垂直于波束轴的两个维上的横向分辨力也往往不同。影响横向分辨力和纵向分辨力的因素各不相同，7/24/2023医学超声仪器原理讲义109横向分辨力又称侧向分辨力，它表示区分处于声束轴垂直的平面上的两个物体的能力。超声波束直径尺寸直接影响横向分辨力，波束直径越细，能分辨的尺度越小，横向分辨力越高。7/24/2023医学超声仪器原理讲义110影响横向分辨率的因素显示荧光点尺寸的影响波束直径尺寸的影响

动态范围的影响7/24/2023医学超声仪器原理讲义1117/24/2023医学超声仪器原理讲义1127/24/2023医学超声仪器原理讲义113仪器的图像质量主要取决于横向分辨力。横向分辨力好，图像细腻，小结构就能显示清楚。横向分辨力主要由换能器的尺寸、形状、发射频率、聚焦等因素决定。当显示屏光点尺寸较大时，也会影响横向分辨力。此外，随着深度的增加，脉冲频谱中的各种频率成分的衰减情况也不同，这个因素也潜在地影响着横向分辨力。现代化的显像仪横向分辨力可优于2mm。7/24/2023医学超声仪器原理讲义114纵向分辨力又称轴向分辨力或距离分辨力，表示在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨力。纵向分辨力与发射超声频率有关，因为声波的纵向分辨力理论极限为声波的半波长。频率越高，波长越短。纵向分辨力与超声脉冲的持续时间有关，脉冲持续时间越短，即脉冲越窄，纵向分辨力越高。超声脉冲持续时间与发射电脉冲宽度及换能器阻7/2尼4/2023

有关。医学超声仪器原理讲义

115影响纵向分辨率的因素脉冲宽度的影响增益大小的影响7/24/2023医学超声仪器原理讲义1167/24/2023医学超声仪器原理讲义1177/24/2023医学超声仪器原理讲义118色散吸收对横向、纵向分辨率的影响7/24/2023医学超声仪器原理讲义119吸收与频率的关系——频率越高，吸收越强；频谱中心向低频偏移；波束变宽；前沿变坏；理想的情况下，工作频率越高，分辨率越高；生物组织的平均衰减系数接近1dB/cm·MHz；频率3MHz—深度20

cm—衰减60dB，94%频率10MHz—深度20

cm—衰减200dB，99.5%在大多数情况下，最佳工作频率就是超声波穿透深度不超过200个波长时就能达到被探测脏器的

那个频率；例如：频率为3MHz时，波长是0.51mm它能够像。7/2形4/2023

成102mm深处组织的医学良超声仪好器原理讲图义120带宽7/24/2023121医学超声仪器原理讲义工作频率超声诊断仪的工作频率，根据两个方面因素作最佳的选择。首先，从分辨力的角度说，增高频率，可以改善分辨力。频率越高，波长越短，则波束的指向性越好（近场距离大，而发散角小），横向和纵向分辨力都能提高。其次，从穿透深度的角度来看，工作频率越高，则衰减成正比地增加，必然使探测深度减小。若7/2要4/2023

求较大的穿透深度，医学超声就仪器原得理讲义取较低的工作频率。122因此，在设计中不得不在工作深度与频率之间取合理的折衷。比如眼科应用中，所要求深度小，可以用高频率以提高分辨力，一般用10MHz。而

要穿透较大深度（如腹腔）时，则只能取较低工作频率。通用B型超声诊断仪的工作频率一般在

3.5MHz，有些诊断仪配有多种不同频率的的需要。7/2探4/2023

头以满足不同检医查学超声仪深器原理讲度义123常用超声诊断仪的超声频率；动态范围分辨率(波长mm)频率(MHz)10dB1.520dB2.530dB3.010.253.754.52.50.91.51.850.450.750.910学0.2750.3750.45作用距离（穿透深度）指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图像的被测介质深度。超声医学成像系统的作用距离，通常要满足处于相当深度上的各种器官的成像需要，如腹部成像就需要有20cm的工作距离，而用于眼球的深度为

10cm。影响作用距离的主要因素是脉冲信号在传播途中的衰减，这是由于组织的吸收、反射、折射、散射等原因引起的。7/24/2023

医学超声仪器原理讲义

125要提高仪器的探测深度，有三个方面的途径。

降低工作频率。但降低工作频率，则分辨力也随之降低，这是一个限制。

提高接收机的灵敏度和扩大动态范围，使能接收较远距离的微弱的反射信号，但这要受到换能器噪声的限制，信噪比极限对诊断超声的最大穿透深度上的限制为300个波长左右。

加大发射功率，使远距离的微小声阻抗差也能产生较强反射，从而使更远距离的病灶也能被探测到，但要考虑安全剂量的限制。7/24/2023

考虑到各方面的指医标学超声，仪器原理应讲义合理选取作用距离。126脉冲重复频率7/24/2023医学超声仪器原理讲义127指脉冲工作方式超声仪器每秒钟重复发射超声脉冲的次数，即探头激励脉冲的频率。重复频率主要取决于所需探测的最大深度以及扫描的回扫时间。设最大深度L=20cm，超声速度c=1540/s，则探测最大深度所需时间为2L/c，最大重复频率为：7/24/2023医学超声仪器原理讲义128重复频率过高，会造成多重界面的重复反射而互相干扰，使回波图形混乱和模糊。通常选用频率在50~2000Hz之间。M型超声多采用1000次/s，脉冲持续时间1.5微秒。断层显像仪为了提高帧频，选用3000Hz7/24/2023医学超声仪器原理讲义129帧频7/24/2023医学超声仪器原理讲义130成像系统每秒钟可以成像的帧数称为帧频。动画显示：画面帧频必须达到一定的数目电视------30帧/秒电影------