天然氣門站進(jìn)站管道溫度計(jì)套管斷裂分析

1 概述

深圳市某天然氣門站進(jìn)站和出站管道上安裝的溫度計(jì)套管在1 a內(nèi)3次發(fā)生套管漏氣事故，維修后發(fā)現(xiàn)是套管斷裂引起。其中1根套管取出時(shí)已處于完全斷裂狀態(tài)，見圖1。在相同工藝位置安裝的溫度計(jì)套管屢次斷裂，給門站安全運(yùn)行帶來極大隱患。因此，為避免同樣事件再次發(fā)生，需分析套管斷裂的原因，并找到可行的解決方案。

發(fā)生斷裂的溫度計(jì)套管安裝在DN 600 mm工藝管道上。工藝管道材質(zhì)為L450，工作溫度為常溫(計(jì)算中管道內(nèi)天然氣溫度取20 ℃)，工作壓力為3.9 MPa。

變指數(shù)Herz型Hardy空間上的多線性Calderón-Zygmund算子交換子 趙歡，周疆(10-42)

溫度計(jì)套管的安裝見圖2。斷裂的溫度計(jì)套管為圓筒形法蘭式整體鉆孔套管，套管材料為0Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼，與管道上焊接的短管通過法蘭連接，套管法蘭面與工藝管道內(nèi)壁的距離

為130 mm，熱電偶測(cè)溫元件底部與套管頂部的距離

為8 mm。套管長度

為381 mm，套管為圓筒形，上下外直徑一致，平均外直徑

為18 mm。套管的根部、頂部見圖2，其外直徑分別用

和

表示，且

、

、

均相等。套管內(nèi)直徑

為10 mm。

2 套管發(fā)生共振的判斷條件

2.1 振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理和危害

當(dāng)流體流經(jīng)溫度計(jì)套管時(shí)，由于套管對(duì)流體的阻滯作用，流體的動(dòng)量發(fā)生改變，在套管后部產(chǎn)生尾流，在尾流內(nèi)會(huì)形成漩渦，漩渦沿著套管兩邊交替地脫落(卡曼渦街現(xiàn)象)。套管受力見圖3。這種交替脫落的漩渦直接作用于套管上，對(duì)套管產(chǎn)生2種周期性變化的力，即沿著流體流動(dòng)方向(

軸方向)的流向力和垂直于流體流動(dòng)方向(

軸方向)的橫向力。兩種力的共同作用導(dǎo)致套管發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)漩渦脫落頻率

等于套管固有頻率

時(shí)，套管就會(huì)發(fā)生激烈的共振，此時(shí)流向力和橫向力急劇增加，套管將被損壞。

2.2 發(fā)生共振的判斷條件

美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC 19.3 TW-2016《熱電偶套管性能測(cè)試準(zhǔn)則》中6-8.2和6-8.3給出了漩渦脫落頻率

與套管固有頻率

之間的限制關(guān)系和可能產(chǎn)生共振的判斷條件。以下結(jié)合本文實(shí)例進(jìn)行闡述。本文中，工況指20 ℃、4.0×10

Pa，標(biāo)況指20 ℃、1.01×10

Pa。

① 管道內(nèi)天然氣的工況流速

根據(jù)該站的供氣量，可計(jì)算進(jìn)站管道內(nèi)天然氣的工況流速，計(jì)算式為：

(1)

式中

——管道內(nèi)天然氣工況流速，m/s

——管道內(nèi)直徑，m

——天然氣的標(biāo)況流量，m

/h

記者：當(dāng)聽到“把工作做成風(fēng)景”的話題時(shí)，我有意上“百度”去搜索，竟然沒有類似角度。請(qǐng)問忻州是怎樣考慮將“風(fēng)景”概念引入到工作策劃上面的？

——工況下天然氣密度，kg/m

，取30.60 kg/m

——天然氣的工況壓縮因子

——天然氣的標(biāo)況壓縮因子

——工況溫度，℃

——標(biāo)況溫度，℃

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件則使用SPPSS25.0，其中計(jì)數(shù)資料運(yùn)用（%）進(jìn)行表示，以卡方檢驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)；計(jì)量數(shù)據(jù)運(yùn)用（±s）的方式進(jìn)行表示，以t檢驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，若所得出的P值小于0.05，視為研究具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，反之則代表無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

根據(jù)天然氣組成、溫度、壓力，得出

為0.935，

約等于1。

在此次研究中,選擇了SPSS 22.0的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件展開數(shù)據(jù)分析、歸檔處理。對(duì)于計(jì)數(shù)資料的表示為%,以χ2檢驗(yàn);對(duì)于計(jì)量資料的表示則為(±s),使用T進(jìn)行檢驗(yàn),當(dāng)兩組的數(shù)據(jù)存在差異的時(shí)候,且P<0.05則表示有可比性。

② 質(zhì)量阻尼系數(shù)

溫度計(jì)套管本身的阻尼特性可以起到抑制振動(dòng)的作用，質(zhì)量阻尼系數(shù)

的計(jì)算式為：

(2)

式中

——質(zhì)量阻尼系數(shù)

——套管本身阻尼系數(shù)，根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-8.2，應(yīng)保守地設(shè)為0.000 5

——套管的密度，kg/m

，取8 000 kg/m

——天然氣的工況絕對(duì)壓力，Pa

設(shè)脈壓過程中的環(huán)境噪聲是功率譜密度為N0/2 W/Hz的高斯白噪聲，輸出噪聲的功率譜密度為(N0/2)·|H0(jω)|2 W/Hz。假設(shè)脈壓輸出信號(hào)在t=td時(shí)刻得到峰值，則多相位分段調(diào)制干擾信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器后的輸出信號(hào)表達(dá)式為

——套管內(nèi)直徑，m

——套管頂部外直徑，m

③ 雷諾數(shù)

管道中天然氣的雷諾數(shù)

，用套管頂部外直徑

計(jì)算，計(jì)算式為：

(3)

式中

——雷諾數(shù)

——工況下天然氣動(dòng)力黏度，Pa·s，取1.18×10

Pa·s

通過計(jì)算

和

，可判斷在一定的工況條件下，漩渦脫落頻率

與套管固有頻率

需滿足的限制關(guān)系。

通過查詢ASME B31.1-2020《動(dòng)力管道》附錄C表C-1，0Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼在20 ℃下的彈性模量為195 GPa。

式中

——斯特勞哈爾數(shù)，與介質(zhì)的雷諾數(shù)

有關(guān)，根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-4.1，

可近似取0.22

當(dāng)2.5<

≤64且

<1.0×10

時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生流向共振，避免橫向共振需滿足下式：

(4)

式中

——漩渦脫落頻率，Hz

畜產(chǎn)品質(zhì)量安全不僅關(guān)系到人民群眾的身體健康和生命安全,更關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定,確保畜產(chǎn)品質(zhì)量安全是當(dāng)前的一項(xiàng)重大政治任務(wù),我們要以高度的責(zé)任態(tài)度,強(qiáng)烈的憂患意識(shí)和責(zé)任感,扎實(shí)搞好畜產(chǎn)品質(zhì)量安全工作。

——套管固有頻率，Hz

式中：Mx、My和Mxy分別為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在x、y向上的彎矩和總扭矩；Qx、Qy為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)總的橫向剪切力；w為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的橫向撓度；分別為蜂窩夾芯在x、y方向上的剪切剛度；為上、下面板的彎曲剛度；為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的整體彎曲剛度；φx、φy分別為變形前垂直于夾層結(jié)構(gòu)xoy面的直線變形后在xoz、yoz平面內(nèi)的廣義位移；μf為上、下面板泊松比。

當(dāng)

>64且

<1.0×10

時(shí)，橫向共振與流向共振都得到抑制，不會(huì)產(chǎn)生共振，不需計(jì)算套管固有頻率。

當(dāng)

≤2.5或

≥1.0×10

時(shí)，漩渦脫落頻率和套管固有頻率滿足下式即可避免共振。

(5)

3 頻率計(jì)算

3.1 漩渦脫落頻率計(jì)算

根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-3.7，漩渦脫落頻率

的計(jì)算式為：

——標(biāo)況壓力，Pa

(6)

和

的限制關(guān)系和可能產(chǎn)生共振的判斷條件如下

。

3.2 套管固有頻率計(jì)算

根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，套管固有頻率

的計(jì)算式為：

=

(7)

式中

——套管近似固有頻率，Hz

——細(xì)長梁理論偏差系數(shù)

——流體質(zhì)量修正系數(shù)

——測(cè)溫元件質(zhì)量修正系數(shù)

——套管柔性安裝系數(shù)

第四、煉銀老總是銀精轉(zhuǎn)世說。相傳，上洋村和貢川村在煽煉銀子時(shí)，如張彭八和陳龍井親自在場(chǎng)督陣，則出銀便多些，若是離開爐廠，出銀子很少或煉不出來，即使煉出也會(huì)不翼而飛。如果張彭八和陳龍井因?yàn)楦鞣N事情不能親臨現(xiàn)場(chǎng)，也必須把平常煉銀時(shí)穿的衣服掛在煉銀現(xiàn)場(chǎng)，否則，煉不出銀子。傳言，某次彭八公因事回故里，匆忙之中忘記留下煉銀時(shí)穿的衣服，結(jié)果銀子便跟隨其后，行至茶閣底的溪旁，彭八公聽到背后有響動(dòng)之聲，回首一望，只見一堆銀子掉入溪中，后此溪被人命名為“八寶掉壩”。彭八公的奇行異舉，震驚東洋，成為聲威赫赫的財(cái)王爺。

① 計(jì)算套管近似固有頻率。根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，套管近似固有頻率

計(jì)算公式如下：

Lesions that were located in the colon and at the rectosigmoid junction were defined as “colon”, while lesions in the upper rectum were defined as “rectum”.

(8)

式中

——套管在20 ℃時(shí)的彈性模量，Pa

——套管平均外直徑，m

這一方面的因素對(duì)于路基沉降也是比較明顯的，其一般都是出現(xiàn)在我國的北方地區(qū)中，南方的晝夜溫差比較大的地區(qū)也容易出現(xiàn)這一問題。具體分析，主要就是自然環(huán)境中的霜雪、嚴(yán)寒以及溫差過大的情況下對(duì)于路基產(chǎn)生不良的影響，從而出現(xiàn)沉降問題。比如，氣候比較寒冷的地區(qū)中進(jìn)行路基的建設(shè)施工，很多情況下水源會(huì)凍結(jié)，只要溫度上升，冰雪融化就會(huì)導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部含水量的提升，承載性能自然會(huì)有所下降，路基沉降問題就會(huì)出現(xiàn)。這種路基沉降問題通常需要進(jìn)行施工時(shí)間的調(diào)整來控制，但是因?yàn)楦咚俟肥┕ぶ芷谝话惚容^長，要想全面消除這一問題難度比較高[2]。

——套管長度，m

④

和

的限制關(guān)系

② 根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，直形套管細(xì)長梁理論偏差系數(shù)

的計(jì)算公式為：

(9)

式中

——套管根部外直徑，m

② 增大套管的平均外直徑。根據(jù)式(6)和式(7)，

隨

增大而增大，

與

成反比。因此，增大

可以達(dá)到增大

、減小

的目的。但是，增大

會(huì)影響套管的溫度傳導(dǎo)性，影響溫度計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(10)

④ 根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，熱電偶測(cè)溫元件質(zhì)量修正系數(shù)

計(jì)算公式為：

(11)

式中

——插入套管內(nèi)的熱電偶測(cè)溫元件的平均密度，kg/m

ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3規(guī)定了熱電偶測(cè)溫元件的密度可取2 700 kg/m

。

⑤ 套管柔性安裝系數(shù)為：

(12)

4 實(shí)例分析

該門站設(shè)計(jì)流量為80×10

m

/h。進(jìn)站管道的規(guī)格為DN 600 mm，外直徑為610 mm，壁厚為17.5 mm，因此，

為0.575 m。

高壓計(jì)量調(diào)壓路共4路，單路設(shè)計(jì)流量20×10

m

/h。目前，該站日供氣量為300×10

～600×10

m

/d，每日的供氣時(shí)間為6:00到24:00。高峰小時(shí)供氣量近50×10

m

/h，低峰小時(shí)供氣量約為20×10

m

/h。其他參數(shù)見前文。

考慮到該門站的實(shí)際供氣情況，選取標(biāo)況流量

為25×10

m

/h、40×10

m

/h、60×10

m

/h和80×10

m

/h，代入式(1)～(3)，可計(jì)算出進(jìn)站管道天然氣工況流速和天然氣雷諾數(shù)，見表1，質(zhì)量阻尼系數(shù)

為0.89。

從江蘇省醫(yī)療衛(wèi)生資源優(yōu)化配置實(shí)證可知，通過雙層目標(biāo)優(yōu)化模型求得的2016年江蘇省現(xiàn)狀年13個(gè)地區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生床位數(shù)與注冊(cè)醫(yī)生數(shù)，與現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)有差別。配置模型考慮了13個(gè)地區(qū)的人口、地理、經(jīng)濟(jì)、健康指標(biāo)等多個(gè)公平指標(biāo)，也考慮了投入與產(chǎn)出的效率指標(biāo)，求解結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)比較，也恰恰說明江蘇省的醫(yī)療衛(wèi)生資源向蘇南、蘇中等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)集中，而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生資源相對(duì)欠缺。這也說明江蘇省醫(yī)療衛(wèi)生資源存在配置不平衡現(xiàn)象。兩者之間的數(shù)據(jù)差，給政府的醫(yī)療衛(wèi)生資源宏觀調(diào)控提供了依據(jù)[15]。

通過計(jì)算，在上述4種供氣工況下，

均大于1.0×10

。根據(jù)前文所述，當(dāng)

≤2.5或

≥1.0×10

時(shí)，套管固有頻率需滿足式(5)。將相應(yīng)參數(shù)代入式(6)～(12)，計(jì)算結(jié)果見表1。通過計(jì)算，在上述4種供氣工況下，漩渦脫落頻率

與套管固有頻率

的比值均大于0.4，不符合式(5)，套管長期使用將會(huì)發(fā)生振動(dòng)疲勞斷裂。

12月18日，作為兵團(tuán)國有企業(yè)的新疆澳利亞乳業(yè)有限公司組織黨員、管理人員和業(yè)務(wù)員工通過投影收看慶祝改革開放40周年大會(huì)實(shí)況。

5 改進(jìn)措施

5.1 避免共振的改進(jìn)措施

為避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，要盡量減小

，增大

，從而保證

/

<0.4。根據(jù)共振產(chǎn)生的機(jī)理以及式(6)和式(7)，一方面，影響

的主要因素有

和

。由于流速

與實(shí)際供氣量有關(guān)，不可隨意調(diào)整。因此，只能通過增大套管頂部外直徑

來減小

。另一方面，影響

的主要因素有

、

、

、

和

。，因此，為避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，可從套管材料、尺寸等方面尋找對(duì)策，增大

，從而保證

/

<0.4。

① 選用其他材質(zhì)的套管。在相同溫度下，應(yīng)優(yōu)先選用彈性模量

較大而密度

較小的材料，綜合考慮材料的溫度傳導(dǎo)性、造價(jià)以及工藝介質(zhì)對(duì)套管材質(zhì)的影響。

③ 根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，流體質(zhì)量修正系數(shù)

計(jì)算公式為：

③ 縮短溫度計(jì)套管的長度。根據(jù)式(7)、(8)，縮短套管的長度

可以增大

。

④ 增加其他輔助裝置。縮短套管的長度可提高

，但是為保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，套管縮短的長度是有限的。當(dāng)縮短套管長度仍無法滿足要求時(shí)，可增加其他輔助裝置，見圖4。通過焊接的方式在套管和短管之間安裝金屬固定環(huán)，固定環(huán)的內(nèi)直徑與套管的外直徑一致，可變相縮短套管長度來增大固有頻率。

5.2 溫度計(jì)套管安裝的規(guī)范要求

HG/T 20507—2014《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，溫度檢測(cè)元件浸入深度應(yīng)符合下列要求：

① 溫度檢測(cè)元件浸入深度的選擇應(yīng)以溫度檢測(cè)元件插至被測(cè)介質(zhì)溫度變化靈敏且具有代表性的區(qū)域?yàn)樵瓌t。

② 當(dāng)溫度檢測(cè)元件在滿管流體管道上垂直安裝或與管壁成45°安裝時(shí)，溫度檢測(cè)元件末端浸入管道內(nèi)壁長度不應(yīng)小于50 mm且不宜大于125 mm。

根據(jù)以上條款，天然氣在管道內(nèi)屬于滿管流體，因此，溫度檢測(cè)元件浸入管道內(nèi)壁長度不應(yīng)小于50 mm且不宜大于125 mm。加上套管法蘭面與工藝管道內(nèi)壁的距離

和溫度檢測(cè)元件底部與套管頂部的距離

，套管長度

需滿足188≤

≤263 mm，而有2次發(fā)生斷裂的套管長度

均為381 mm左右。因該門站建設(shè)早于2014年，溫度計(jì)的安裝符合HG/T 20507—2000《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定》(已作廢)的安裝要求，已不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。

綜上，為避免該位置套管斷裂事件再次發(fā)生，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，可優(yōu)先考慮縮短套管的長度。當(dāng)縮短長度仍不能滿足要求時(shí)，再考慮增加輔助裝置。

5.3 套管長度L的計(jì)算

根據(jù)該門站的設(shè)計(jì)流量，要確保套管不發(fā)生疲勞斷裂，套管的長度需滿足供氣量80×10

m

/h時(shí)的使用要求。按設(shè)計(jì)流量80×10

m

/h計(jì)算套管長度

在該工況下的最大允許值。

當(dāng)供氣量為80×10

m

/h時(shí)，

為247.06 Hz。根據(jù)式(5)和式(7)～(12)，計(jì)算得出套管長度

需不大于127 mm。

套管長度應(yīng)不小于188 mm且小于等于263 mm，才能符合HG/T 20507—2014。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)流量為80×10

m

/h時(shí)，采用目前的安裝方式，套管的長度

無論為多少，均不能同時(shí)滿足ASME PTC 19.3 TW-2016和HG/T 20507—2014的要求。

商務(wù)英語學(xué)科建設(shè)的開展路徑依然需要不斷深入和挖掘，通過多重視角的拓展，探索到商務(wù)英語學(xué)科建設(shè)的最佳方式。廣大教師和學(xué)者更加需要從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，結(jié)合教學(xué)工作的實(shí)際情況建立商務(wù)英語學(xué)科體系，完善商務(wù)英語學(xué)科內(nèi)容，讓學(xué)生真正從該學(xué)科中學(xué)習(xí)到更具實(shí)用性的內(nèi)容，讓學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用予以完美結(jié)合，為學(xué)生的更深度探究提供條件，為學(xué)生的全面發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

因此，需在套管上安裝輔助裝置。當(dāng)增加輔助裝置后，只需輔助裝置以下部分的套管長度不大于127 mm，且確保溫度檢測(cè)元件末端浸入管道內(nèi)壁至少50 mm，也就是套管頂部浸入管道內(nèi)壁至少58 mm即可。

經(jīng)改進(jìn)，目前該門站進(jìn)站和出站管道上安裝的均是有輔助裝置的溫度計(jì)套管，套管長度為205 mm，套管輔助裝置以下部分的長度為80 mm。在現(xiàn)運(yùn)行工況下，該型號(hào)的溫度計(jì)套管在安裝運(yùn)行1 a內(nèi)使用良好，未出現(xiàn)套管斷裂情況。

6 結(jié)語

該門站進(jìn)站、出站管道上安裝的溫度計(jì)套管在1 a內(nèi)3次發(fā)生斷裂漏氣事故。分析套管振動(dòng)機(jī)理，參考ASME PTC 19.3 TW-2016《熱電偶套管性能測(cè)試準(zhǔn)則》，計(jì)算漩渦脫落頻率

和套管固有頻率

。結(jié)果顯示，套管無法滿足

/

<0.4的限制要求，長期使用會(huì)因共振而發(fā)生振動(dòng)疲勞斷裂。經(jīng)過計(jì)算，縮短了套管長度并在溫度計(jì)套管上安裝輔助裝置。套管固定頻率計(jì)算中，套管長度取套管輔助裝置以下部分的長度，增大了套管固有頻率。改進(jìn)后的溫度計(jì)套管應(yīng)用后，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

[1] 黃磊. 溫度計(jì)套管的頻率限制[J]. 石油化工自動(dòng)化，2016(2)：54-57.