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
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。
| 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 |
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。
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
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※。
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）。
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。