換熱管是換熱器內的核心部件，其結構穩定性對整體換熱性能和使用壽命有著重要影響。其中，振動失效的主要形式為疲勞失效，一般而言，換熱管束最易發生疲勞失效的部位是管束與管程出入水管的聯接處，因此這些部位的疲勞強度是換熱器使用壽命的關鍵。由此可見，分析管束的結構特點和支撐情況，是預防流體誘導振動疲勞失效及提高換熱管疲勞壽命和換熱性能的重要手段。
疲勞失效的判斷標準
Thorngren提出了破壞數理論，并定義當破壞數的值不超過允許值時將視為安全情況。文獻總結了不同節徑比、不銹鋼管排列角和管束形式的換熱器，并分析了其振動破壞情況，認為振動的破壞不僅和跨長有關，并且排列角為o45時的情況更為嚴重，此外，U型管產生振動的可能性相較直管更大?？偨Y并列舉了振動破壞的多種形式，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，工程上為了方便設計校核，國內外均存在換熱器制造相關標準，比如:美國管殼式換熱器制造商(TEMA)標準，英國BS標準、法國的CODAP標準、德國的AD標準、日本的JISB8243標準，以及我國的GB/T 151-2014。設計標準往往是一個國家行業水平及技術成熟度的體現。
在內容上經過多次修正和迭代，GB/T 151-2014《熱交換器》涵蓋了換熱器的結構設計計算、制造檢驗及驗收標準、安裝操作及維護規范等多個方面，并在附錄中給出了關于流體誘發振動的計算參考。
流體誘導管束振動失效研究
流體誘導振動在設備使用過程中可能會引發交變應力，長期積累會使設備產生破壞。據統計，振動造成的破壞占所有換熱器失效的總數的三分之一，屬于比較普遍出現的現象。
其中，文獻研究了不銹鋼換熱管誘導振動失效問題，認為振動造成了管束與管板間的焊縫破壞；文獻[40]對核電站用鈦板換熱器進行了分析，認為振動相比海水腐蝕而言，是導致疲勞失效的主因。文獻討論了一氧化碳反應器的振動失效問題，通過計算渦脫頻率及裂縫特征，認為卡曼渦街在一定頻率內的抖動加劇了裂縫延展，最終導致斷裂發生。文獻認為流體誘導振動造成設備失效的主要形式是疲勞失效，當結構受到周期性外力影響，且某部位最大應力超過疲勞極限時便會產生。若長期累積則會在最大應力處產生裂紋，最終造成斷裂現象。綜上所述，換熱器振動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，管子由于振動而產生位移，當振幅較大時，便會與鄰近管束或換熱器壁面相撞，最終導致換熱管磨損變薄直至開裂。
（2）折流板的切割：為了方便換熱管束的安裝，通常在折流板上預留出一部分孔徑，這會使換熱管與折流板之間產生空隙。因此當振動發生時，相對于換熱管的長度而言，折流板的厚度較小，因此在二者接觸部位產生應力集中，隨時間推移折流板便會對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，當管束出現振動時，會發生撓性變形，進而使連接部位出現較大的應力，當應力不斷累積便會導致該處焊縫開裂而產生連接失效，并最終導致設備失效。
（4）材料缺陷：換熱管在加工過程中，由于材料本身的缺陷被振動進一步放大并擴展，期間在缺陷部位易產生較大的應力集中，導致裂紋出現直至破壞。
（5）腐蝕磨損：換熱器中的流體介質有些本身就有強腐蝕性，當振動發生時，由于介質與管壁間存在相對速度，因此很容易對換熱管壁面造成破壞。
減振措施與設計優化
為了避免以上振動破壞的發生，采取合理的措施是十分有必要的。文獻針對氣相冷凝器管束長期運行后出現的振動問題作出改進，一方面限制了入口流速，另一方面通過改善結構增大了固有頻率，以此降低振動破壞的風險；文獻[45]中針對低變氣再沸器管束爆裂及磨損問題，采取了提升管壁厚度的減振措施，同時通過改善材質來增加剛度，使得設備具有更好的穩定性。文獻[46]分析了換熱器中各種可能發生的破壞形式，并相應總結了幾項減振手段，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。文獻根據換熱器振動的成因及其破壞形式，通過改變折流板與換熱管間距與尺寸，以到達減振效果。
綜合文獻分析，誘導振動能迅速造成破壞的原因是由于共振現象的出現，若系統的固有頻率較低，流體激振便很容易達到固有頻率，從而引發共振。但若系統固有頻率較高，流體激振則相對難以達到固有頻率，引發共振也更為困難。因此，為到達減振目的，其中一個思路便是提高換熱管的固有頻率，加大共振發生的難度。具體實現方法可以是減少無支撐跨距，在管子折彎處設置支撐板等；其二是從來源出發，適當降低降低殼程流體流速，以減少流體激振的風險，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構，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定性的同時，還需考慮降低流速帶來的能量損失，以及改變換熱管結構對換熱效率的影響。
文獻將JF因子作為評價換熱性能的標準，同時分析了該因子的影響參數，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。但流速的降低會導致換熱效率下降。
文獻研究了低流速盤管振動工況的相對速度與溫度梯度協同度，結合場協同理論，分析并驗證了振速方向與流動方向間的夾角與對流換熱強度之間的聯系。
文獻研究了脈動流誘導振動對換熱強化的影響，結合熱流固雙向耦合模型，分析了振動對邊界層流體的擾動作用，以及對溫差驅動力的影響。結果表明，當換熱管脈動流誘導振動的振幅大于管壁附近高溫滯留層厚度時，脈動流誘導振動對換熱產生強化作用。
由此可見，根據邊界層理論，流體誘導振動通過增加流體邊界層的擾動以實現換熱強化效果，于此同時，流體誘導振動還有減少污垢熱阻產生的效果，因此在換熱強化領域也擁有一定的應用意義。但流體誘導振動可能對設備使用壽命造成的影響卻不可輕易忽視，因為設備的安全穩定運行是一切優化設計的前提。所以在換熱強化與設備安全性的選擇之中，首要應考慮的是保證設備能夠安全穩定運行。為使一臺換熱器可以被更加經濟且有效地利用，需要對流體誘導換熱管振動的疲勞壽命進行估計。
疲勞壽命估計
Miner整合了Palmgren的累積損傷理論，提出了線性疲勞損傷理論，認為疲勞損傷與應力循環次數成線性關系，當損傷累加到一定極限，結構就會發生疲勞破壞。該理論可用s—N曲線進行描述。
文獻針對深海纜線的疲勞損傷進行了研究，結合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[53]對可變振幅載荷條件下，從Castillo概率s—N曲線中導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[54]將Miner理論與臨界面法相結合，對多軸線性疲勞壽命進行了預估，定義了附加強化因子，考察了載荷性質對非比例附加強化因子的影響。并且與等效應變預估模型、最大剪切應變幅模型進行了比較，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測疲勞壽命的基本方法，擁有非常廣泛的用途，并且對于交變載荷而言，該方法具有較好的預測效果。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計算其疲勞壽命。
當對換熱管受流體誘導振動的成因，以及換熱管的疲勞破壞有了基本的認識后，有必要進一步探討換熱管的振動規律，并對換熱管產生振動后的各項運動狀態提供一個清晰的認識。這是由于對換熱管振動特性的分析不僅可為換熱器防振設計提供理論參考，其本身固有特性的求解也同樣是設備校核中的重要參數。因此，對換熱管振動特性的研究，不僅有很強的工程實用背景，也能對換熱器防振設計起到重要的指導意義。
