溫度計保護套管共振頻率計算及適用工況探討

朱東利，高嗣晟

(1. 中建安裝工程有限公司，南京 210000；2. 中國石油集團東北煉化工程有限公司葫蘆島設計院，遼寧葫蘆島 125000)

0.00664)/64=1.14×10-8 (m4)

2.7(kg/m)

→

=1.28

=0.41SMPa

溫度計保護套管共振頻率計算及適用工況探討

朱東利1，高嗣晟2

(1. 中建安裝工程有限公司，南京 210000；2. 中國石油集團東北煉化工程有限公司葫蘆島設計院，遼寧葫蘆島 125000)

以常用的溫度計保護套管為例，計算其固有頻率，并計算共振時的最大流速和壓力。通過典型的溫度計套管頻率的計算，推導出哪些工況條件下要特別注意對溫度計保護套管頻率進行計算，避免產生共振，導致生產事故，并提出溫度計保護套管在設計選型時的注意事項。

保護套管 共振 頻率計算

溫度儀表保護套管選型不當會產生共振，使保護套管斷裂導致安全生產事故發(fā)生。依據HG/T20507—2014《自動化儀表選型設計規(guī)定》4.1.3條規(guī)定：“在工藝流體溫度、壓力、流速較高的場合，宜對保護套管進行振動計算”[1]。本文以某常規(guī)類型的溫度計保護套管為例，探討溫度、壓力、流速達到多少時需注意溫度計保護套管的頻率計算。

1 溫度計保護套管

溫度計保護套管有直形、錐形和階梯形，直形套管一般用于中低壓場合；對于被測介質流速較高或要求溫度計保護套管有高強度的場合，選用錐形保護套管[2]；對于要求減小阻力或縮短熱響應時間的場合，可選用階梯形保護套管。

筆者以圖1所示的常用法蘭連接的錐形保護套管為例，進行固有頻率的計算。

為了提高溫度計的響應速度，一般可選溫度計外徑為6mm，保護套管內徑d=6.6mm，錐形套管根部外徑A=25mm，端部外徑B=19mm，平均外徑Da=(A+B)/2=22mm，保護套管端部厚度t=6.5mm，保護套管插入深度L=275mm，其中150mm為法蘭接管長度[3]，125mm為插入到管道內的長度，套管根部圓角半徑b=0。

圖1 錐形整體磚孔溫度計保護套管示意

保護套管材質選用ASTMA182F316不銹鋼，保護套管在環(huán)境溫度下的密度ρm=8000kg/m3。

2 保護套管固有頻率計算

溫度計保護套管頻率計算的依據是ASMEPTC19.3TW-2010 Thermowells Performance Test Codes[4]，計算步驟如下：

1) 首先進行轉動慣量I的計算：

0.00664)/64=1.14×10-8(m4)

(1)

2) 計算保護套管的線質量m：

2.7(kg/m)

(2)

3) 保護套管近似固有頻率fa計算：

(3)

式中： E——使用溫度下保護套管的彈性模量，Pa，見表1所列。

4) 計算細長梁理論偏差系數Hf：

=1.28

(4)

5) 計算流體附加質量修正系數Ha， f：

(5)

式中： ρ——介質密度，kg/m3。

當介質為蒸汽或低密度氣體時，Ha， f≈1；當介質為水時，Ha， f=0.94；當介質密度較大時，Ha， f會大幅度減小，如密度為1600kg/m3的硫酸，Ha， f=0.9[5]。

6) 計算測溫元件修正系數Ha， s：

(6)

式中： ρs——測溫元件的密度，對于熱電阻或熱電偶，ρs=2700kg/m3。

7) 計算引入修正系數后的保護套管固有頻率fn：

(7)

8) 計算溫度計的安裝彈性系數Hc：

(8)

(9)

表1 奧氏體不銹鋼在不同溫度下的彈性模量E(×1011) Pa

表2 不同介質工況中溫度計保護套管固有頻率 Hz

3 激勵頻率fs的計算

激勵頻率fs的計算公式：

(10)

式中： Ns——斯特勞哈爾常數;v ——流速，m/s，在工程實際計算中，可取Ns為常數，約等于0.22。

4 共振流速計算

(11)

可以得出，該型號保護套管當介質流速大于8m/s時，需注意進行溫度計保護套管頻率計算。當產生共振時，介質在保護套管產生的應力將大于保護套管在工況溫度下的彈性模量，套管會被損壞，本文不再單獨計算循環(huán)應力。

5 壓力應力計算

1) 保護套管根部允許外部壓力：

=0.41SMPa

(12)

式中： S——溫度計保護套管材料的最大允許使用拉應力[6]。

2) 保護套管末端允許外部壓力：

(13)

選擇兩者中最小值，作為允許的外部最大壓力，該型號允許的最大外部壓力為0.41SMPa。S及相應的壓力應力計算結果見下表3所列。

表3 奧氏體不銹鋼F316在不同溫度下的S及Pc計算值 MPa

可以得出，當介質壓力大于20MPa時，即為649℃時最大允許外部壓力，該型號保護套管需進行溫度計保護套管頻率計算。

6 設計流速下的穩(wěn)態(tài)應力和動態(tài)應力計算

當設計流速不超過共振時候的速度時，通過計算可以得出設計流速條件下的穩(wěn)態(tài)應力和動態(tài)應力不會導致溫度計保護套管的損壞，本文中將不再單獨計算。

7 結束語

1) 法蘭連接錐形整體鉆孔溫度計保護套管使用時應注意以下幾點：

a) 介質流速應限制在8m/s以下，一般蒸汽和氣體的流速較大，容易產生共振[8]，使用時應進行溫度計保護套管共振頻率計算，選擇合適的溫度計保護套管。

b) 當介質壓力大于20MPa時，應進行溫度計保護套管共振頻率計算。

c) 當使用工況溫度較高時，會降低溫度計保護套管Pc的值，本文選取649℃時Pc=20MPa作為共振頻率計算的判斷值。因溫度的影響體現對壓力的影響上，故溫度不再作為溫度計保護套管共振頻率計算判斷的依據。

2) 在溫度計保護套管選型時，可考慮如下事項：

a) 根據文獻[6]表A-3可知，ASTMA182F316不銹鋼在不同溫度下的S值比ASTMA182F304不銹鋼，ASTMA182F304L不銹鋼，ASTMA182F316L不銹鋼高；在溫度大于565℃時，也大于ASTMA182F321不銹鋼的S值，因而在工況允許的情況下，可優(yōu)先考慮ASTMA182F316不銹鋼保護套管。

b) 文獻[6]表4-4-4給出了錐形保護套管尺寸范圍，其中B和A的比值應在0.58～1.00，選型時應注意?？蓪Ω鞒Ｓ贸叽绲腻F形保護套管進行計算，得出允許使用的流速和壓力，方便設計選型。

c) 對于流速較大的介質，可考慮保護套管加固定環(huán)[9]、減小插入深度、增大錐形套管外徑等方式[10]，提高保護套管固有頻率。

[1] 王雪梅，張悅崑，安鐵生，等.HG/T20507—2014自動化儀表選型設計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[2] 孫吉人.溫度計套管形狀對振動和受力的影響[J].科技導報，2013，31(08)： 46-50.

[3] 童秋階，王發(fā)兵，張同科，等.HG/T21581—2012自控安裝圖冊[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[4]AmericanSocietyofMechanicalEngineers.ASMEPTC19.3TW—2010ThermowellsPerformanceTestCodes[S].NewYork：AmeriacanSocietyofMechanicalEngineers， 2010.

[5] 黃磊.溫度計套管的頻率限制[J].石油化工自動化，2016，52(02)： 54-57.

[6]AmericanSocietyofMechanicalEngineers.ASMEB31.1—2012PowerPipingASMECodeforPressurePiping，B31[S].NewYork：AmeriacanSocietyofMechanicalEngineers， 2012.

[7] 漢建德，華霄峰.溫度計保護套管的性能研究[J].石油化工自動化，2012，48(04)： 23-29.

[8] 馬如宏.溫度計套管斷裂原因分析及解決方案[J].石油化工自動化，2013，49(01)： 61-63.

[9] 殷家云.國內外插入式溫度計選型傾向[J].醫(yī)藥工程設計，2008，29(01)： 51-53.

[10] 孫海，李兆明.溫度計套管的性能測試計算[J].石油化工自動化，2008，44(05)： 17-20.

Discuss on Thermowell Resonance Frequency Calculation and Applicable Conditions

ZhuDongli1，GaoSisheng2

(1.ChinaConstructionInstallationEngineeringCo.Ltd.，Nanjing， 210000，China;2.HuludaoDesignInstitute，CNPCNortheastRefining&ChemicalEngineeringCo.Ltd.，Huludao， 125000，China)

Naturalfrequencyanditsmaximumflowspeedandpressuresarecalculatedwithcommonthermowellascase.Underwhichworkingconditionneedsfrequencycalculationparticularlyiselicitedthroughtypicalonecalculation.Accordingtocalculation，theresonancecanbeavoidedtoresultinproductionaccident.Theattentionsondesignandtypeselectionofthermowellareputforward.

thermowell；resonance；frequencycalculation

朱東利(1987—)，男，2009年畢業(yè)于北京化工大學自動化專業(yè)，獲學士學位，現工作于中建安裝工程有限公司，任自控設計工程師。

TP

B

1007-7324(2016)06-0055-04

稿件收到日期： 2016-08-01，修改稿收到日期： 2016-09-02。