换热管是换热器内的核心部件，其结构稳定性对整体换热性能和使用寿命有着重要影响。其中，振动失效的主要形式为疲劳失效，一般而言，换热管束最易发生疲劳失效的部位是管束与管程出入水管的联接处，因此这些部位的疲劳强度是换热器使用寿命的关键。由此可见，分析管束的结构特点和支撑情况，是预防流体诱导振动疲劳失效及提高换热管疲劳寿命和换热性能的重要手段。
疲劳失效的判断标准
Thorngren提出了破坏数理论，并定义当破坏数的值不超过允许值时将视为安全情况。文献总结了不同节径比、不锈钢管排列角和管束形式的换热器，并分析了其振动破坏情况，认为振动的破坏不仅和跨长有关，并且排列角为o45时的情况更为严重，此外，U型管产生振动的可能性相较直管更大。总结并列举了振动破坏的多种形式，其中包括：碰撞破坏，管板接头破坏，折流板处剪切破坏以及U型弯管处破坏等。
此外，工程上为了方便设计校核，国内外均存在换热器制造相关标准，比如:美国管壳式换热器制造商(TEMA)标准，英国BS标准、法国的CODAP标准、德国的AD标准、日本的JISB8243标准，以及我国的GB/T 151-2014。设计标准往往是一个国家行业水平及技术成熟度的体现。
在内容上经过多次修正和迭代，GB/T 151-2014《热交换器》涵盖了换热器的结构设计计算、制造检验及验收标准、安装操作及维护规范等多个方面，并在附录中给出了关于流体诱发振动的计算参考。
流体诱导管束振动失效研究
流体诱导振动在设备使用过程中可能会引发交变应力，长期积累会使设备产生破坏。据统计，振动造成的破坏占所有换热器失效的总数的三分之一，属于比较普遍出现的现象。
其中，文献研究了不锈钢换热管诱导振动失效问题，认为振动造成了管束与管板间的焊缝破坏；文献[40]对核电站用钛板换热器进行了分析，认为振动相比海水腐蚀而言，是导致疲劳失效的主因。文献讨论了一氧化碳反应器的振动失效问题，通过计算涡脱频率及裂缝特征，认为卡曼涡街在一定频率内的抖动加剧了裂缝延展，最终导致断裂发生。文献认为流体诱导振动造成设备失效的主要形式是疲劳失效，当结构受到周期性外力影响，且某部位最大应力超过疲劳极限时便会产生。若长期累积则会在最大应力处产生裂纹，最终造成断裂现象。综上所述，换热器振动破坏情况可归纳为以下几种形式:
（1）相邻管子之间磨损：在流体激振作用下，管子由于振动而产生位移，当振幅较大时，便会与邻近管束或换热器壁面相撞，最终导致换热管磨损变薄直至开裂。
（2）折流板的切割：为了方便换热管束的安装，通常在折流板上预留出一部分孔径，这会使换热管与折流板之间产生空隙。因此当振动发生时，相对于换热管的长度而言，折流板的厚度较小，因此在二者接触部位产生应力集中，随时间推移折流板便会对换热管造成切割破坏。
（3）连接处失效：由于换热管与管板之间属于固支支撑，当管束出现振动时，会发生挠性变形，进而使连接部位出现较大的应力，当应力不断累积便会导致该处焊缝开裂而产生连接失效，并最终导致设备失效。
（4）材料缺陷：换热管在加工过程中，由于材料本身的缺陷被振动进一步放大并扩展，期间在缺陷部位易产生较大的应力集中，导致裂纹出现直至破坏。
（5）腐蚀磨损：换热器中的流体介质有些本身就有强腐蚀性，当振动发生时，由于介质与管壁间存在相对速度，因此很容易对换热管壁面造成破坏。
减振措施与设计优化
为了避免以上振动破坏的发生，采取合理的措施是十分有必要的。文献针对气相冷凝器管束长期运行后出现的振动问题作出改进，一方面限制了入口流速，另一方面通过改善结构增大了固有频率，以此降低振动破坏的风险；文献[45]中针对低变气再沸器管束爆裂及磨损问题，采取了提升管壁厚度的减振措施，同时通过改善材质来增加刚度，使得设备具有更好的稳定性。文献[46]分析了换热器中各种可能发生的破坏形式，并相应总结了几项减振手段，例如：降低壳程流体流速，更换排布方式，采用更大刚度的材料，以及提升管束固有频率等方法。文献根据换热器振动的成因及其破坏形式，通过改变折流板与换热管间距与尺寸，以到达减振效果。
综合文献分析，诱导振动能迅速造成破坏的原因是由于共振现象的出现，若系统的固有频率较低，流体激振便很容易达到固有频率，从而引发共振。但若系统固有频率较高，流体激振则相对难以达到固有频率，引发共振也更为困难。因此，为到达减振目的，其中一个思路便是提高换热管的固有频率，加大共振发生的难度。具体实现方法可以是减少无支撑跨距，在管子折弯处设置支撑板等；其二是从来源出发，适当降低降低壳程流体流速，以减少流体激振的风险，具体方式可以是在换热器壳程流体入口处增大管径，或是增加缓冲挡板以避免流体直接冲刷第一排换热管；其三是改善换热器部件的结构，例如减小折流板间距、加大折流板厚度、增加换热管的管壁厚度，减少换热管与折流板之间的孔隙等。但采取上述措施提高换热器稳定性的同时，还需考虑降低流速带来的能量损失，以及改变换热管结构对换热效率的影响。
文献将JF因子作为评价换热性能的标准，同时分析了该因子的影响参数，最终得到了最佳折流板间距尺寸及缺口高度。此外，还讨论了管壳式换热器中降低流体激振频率的方法，其中降低壳程流速能显著降低流体激振频率，而用双壳程代替单壳程，以及改变折流板排布，也可在一定程度上降低流体激振频率。但流速的降低会导致换热效率下降。
文献研究了低流速盘管振动工况的相对速度与温度梯度协同度，结合场协同理论，分析并验证了振速方向与流动方向间的夹角与对流换热强度之间的联系。
文献研究了脉动流诱导振动对换热强化的影响，结合热流固双向耦合模型，分析了振动对边界层流体的扰动作用，以及对温差驱动力的影响。结果表明，当换热管脉动流诱导振动的振幅大于管壁附近高温滞留层厚度时，脉动流诱导振动对换热产生强化作用。
由此可见，根据边界层理论，流体诱导振动通过增加流体边界层的扰动以实现换热强化效果，于此同时，流体诱导振动还有减少污垢热阻产生的效果，因此在换热强化领域也拥有一定的应用意义。但流体诱导振动可能对设备使用寿命造成的影响却不可轻易忽视，因为设备的安全稳定运行是一切优化设计的前提。所以在换热强化与设备安全性的选择之中，首要应考虑的是保证设备能够安全稳定运行。为使一台换热器可以被更加经济且有效地利用，需要对流体诱导换热管振动的疲劳寿命进行估计。
疲劳寿命估计
Miner整合了Palmgren的累积损伤理论，提出了线性疲劳损伤理论，认为疲劳损伤与应力循环次数成线性关系，当损伤累加到一定极限，结构就会发生疲劳破坏。该理论可用s—N曲线进行描述。
文献针对深海缆线的疲劳损伤进行了研究，结合Miner理论与s—N曲线，比较了低频海况与高频海况的疲劳损伤，最终给出了深海缆线疲劳损伤较大的工况。文献[53]对可变振幅载荷条件下，从Castillo概率s—N曲线中导出归一化变量作为参考，并给出了基于Miner理论的不同载荷条件下疲劳损伤的概率分布模型。文献[54]将Miner理论与临界面法相结合，对多轴线性疲劳寿命进行了预估，定义了附加强化因子，考察了载荷性质对非比例附加强化因子的影响。并且与等效应变预估模型、最大剪切应变幅模型进行了比较，证明该模型能够很好的描述比例加载及非比例加载的疲劳寿命。
综上所述，线性累积损伤理论作为预测疲劳寿命的基本方法，拥有非常广泛的用途，并且对于交变载荷而言，该方法具有较好的预测效果。而流体激振力恰好属于交变载荷的范畴，因此适合采用该方法来计算其疲劳寿命。
当对换热管受流体诱导振动的成因，以及换热管的疲劳破坏有了基本的认识后，有必要进一步探讨换热管的振动规律，并对换热管产生振动后的各项运动状态提供一个清晰的认识。这是由于对换热管振动特性的分析不仅可为换热器防振设计提供理论参考，其本身固有特性的求解也同样是设备校核中的重要参数。因此，对换热管振动特性的研究，不仅有很强的工程实用背景，也能对换热器防振设计起到重要的指导意义。
