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(tuán)東北煉化工程有限公司葫蘆島設(shè)計(jì)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(jì)保護(hù)套管共振頻率計(jì)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(tuán)東北煉化工程有限公司葫蘆島設(shè)計(jì)院，遼寧葫蘆島 125000)

以常用的溫度計(jì)保護(hù)套管為例，計(jì)算其固有頻率，并計(jì)算共振時(shí)的最大流速和壓力。通過典型的溫度計(jì)套管頻率的計(jì)算，推導(dǎo)出哪些工況條件下要特別注意對(duì)溫度計(jì)保護(hù)套管頻率進(jìn)行計(jì)算，避免產(chǎn)生共振，導(dǎo)致生產(chǎn)事故，并提出溫度計(jì)保護(hù)套管在設(shè)計(jì)選型時(shí)的注意事項(xiàng)。

保護(hù)套管 共振 頻率計(jì)算

溫度儀表保護(hù)套管選型不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生共振，使保護(hù)套管斷裂導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故發(fā)生。依據(jù)HG/T20507—2014《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)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(duì)保護(hù)套管進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算”[1]。本文以某常規(guī)類型的溫度計(jì)保護(hù)套管為例，探討溫度、壓力、流速達(dá)到多少時(shí)需注意溫度計(jì)保護(hù)套管的頻率計(jì)算。

1 溫度計(jì)保護(hù)套管

溫度計(jì)保護(hù)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(duì)于被測介質(zhì)流速較高或要求溫度計(jì)保護(hù)套管有高強(qiáng)度的場合，選用錐形保護(hù)套管[2]；對(duì)于要求減小阻力或縮短熱響應(yīng)時(shí)間的場合，可選用階梯形保護(hù)套管。

筆者以圖1所示的常用法蘭連接的錐形保護(hù)套管為例，進(jìn)行固有頻率的計(jì)算。

為了提高溫度計(jì)的響應(yīng)速度，一般可選溫度計(jì)外徑為6mm，保護(hù)套管內(nèi)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(hù)套管端部厚度t=6.5mm，保護(hù)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(nèi)的長度，套管根部圓角半徑b=0。

圖1 錐形整體磚孔溫度計(jì)保護(hù)套管示意

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

2 保護(hù)套管固有頻率計(jì)算

溫度計(jì)保護(hù)套管頻率計(jì)算的依據(jù)是ASMEPTC19.3TW-2010 Thermowells Performance Test Codes[4]，計(jì)算步驟如下：

1) 首先進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的計(jì)算：

0.00664)/64=1.14×10-8(m4)

(1)

2) 計(jì)算保護(hù)套管的線質(zhì)量m：

2.7(kg/m)

(2)

3) 保護(hù)套管近似固有頻率fa計(jì)算：

(3)

式中： E——使用溫度下保護(hù)套管的彈性模量，Pa，見表1所列。

4) 計(jì)算細(xì)長梁理論偏差系數(shù)Hf：

=1.28

(4)

5) 計(jì)算流體附加質(zhì)量修正系數(shù)Ha， f：

(5)

式中： ρ——介質(zhì)密度，kg/m3。

當(dāng)介質(zhì)為蒸汽或低密度氣體時(shí)，Ha， f≈1；當(dāng)介質(zhì)為水時(shí)，Ha， f=0.94；當(dāng)介質(zhì)密度較大時(shí)，Ha， f會(huì)大幅度減小，如密度為1600kg/m3的硫酸，Ha， f=0.9[5]。

6) 計(jì)算測溫元件修正系數(shù)Ha， s：

(6)

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

7) 計(jì)算引入修正系數(shù)后的保護(hù)套管固有頻率fn：

(7)

8) 計(jì)算溫度計(jì)的安裝彈性系數(shù)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(zhì)工況中溫度計(jì)保護(hù)套管固有頻率 Hz

3 激勵(lì)頻率fs的計(jì)算

激勵(lì)頻率fs的計(jì)算公式：

(10)

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

4 共振流速計(jì)算

(11)

可以得出，該型號(hào)保護(hù)套管當(dāng)介質(zhì)流速大于8m/s時(shí)，需注意進(jìn)行溫度計(jì)保護(hù)套管頻率計(jì)算。當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，介質(zhì)在保護(hù)套管產(chǎn)生的應(yīng)力將大于保護(hù)套管在工況溫度下的彈性模量，套管會(huì)被損壞，本文不再單獨(dú)計(jì)算循環(huán)應(yīng)力。

5 壓力應(yīng)力計(jì)算

1) 保護(hù)套管根部允許外部壓力：

=0.41SMPa

(12)

式中： S——溫度計(jì)保護(hù)套管材料的最大允許使用拉應(yīng)力[6]。

2) 保護(hù)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(hào)允許的最大外部壓力為0.41SMPa。S及相應(yīng)的壓力應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(jì)算值 MPa

可以得出，當(dāng)介質(zhì)壓力大于20MPa時(shí)，即為649℃時(shí)最大允許外部壓力，該型號(hào)保護(hù)套管需進(jìn)行溫度計(jì)保護(hù)套管頻率計(jì)算。

6 設(shè)計(jì)流速下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)設(shè)計(jì)流速不超過共振時(shí)候的速度時(shí)，通過計(jì)算可以得出設(shè)計(jì)流速條件下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致溫度計(jì)保護(hù)套管的損壞，本文中將不再單獨(dú)計(jì)算。

7 結(jié)束語

1) 法蘭連接錐形整體鉆孔溫度計(jì)保護(hù)套管使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

a) 介質(zhì)流速應(yīng)限制在8m/s以下，一般蒸汽和氣體的流速較大，容易產(chǎn)生共振[8]，使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度計(jì)保護(hù)套管共振頻率計(jì)算，選擇合適的溫度計(jì)保護(hù)套管。

b) 當(dāng)介質(zhì)壓力大于20MPa時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度計(jì)保護(hù)套管共振頻率計(jì)算。

c) 當(dāng)使用工況溫度較高時(shí)，會(huì)降低溫度計(jì)保護(hù)套管Pc的值，本文選取649℃時(shí)Pc=20MPa作為共振頻率計(jì)算的判斷值。因溫度的影響體現(xiàn)對(duì)壓力的影響上，故溫度不再作為溫度計(jì)保護(hù)套管共振頻率計(jì)算判斷的依據(jù)。

2) 在溫度計(jì)保護(hù)套管選型時(shí)，可考慮如下事項(xiàng)：

a) 根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)，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(hù)套管。

b) 文獻(xiàn)[6]表4-4-4給出了錐形保護(hù)套管尺寸范圍，其中B和A的比值應(yīng)在0.58～1.00，選型時(shí)應(yīng)注意?？蓪?duì)各常用尺寸的錐形保護(hù)套管進(jìn)行計(jì)算，得出允許使用的流速和壓力，方便設(shè)計(jì)選型。

c) 對(duì)于流速較大的介質(zhì)，可考慮保護(hù)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(hù)套管固有頻率。

[1] 王雪梅，張悅崑，安鐵生，等.HG/T20507—2014自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國計(jì)劃出版社，2014.

[2] 孫吉人.溫度計(jì)套管形狀對(duì)振動(dòng)和受力的影響[J].科技導(dǎo)報(bào)，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(cè)[S].北京： 中國計(jì)劃出版社，2013.

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

[5] 黃磊.溫度計(jì)套管的頻率限制[J].石油化工自動(dòng)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(jì)保護(hù)套管的性能研究[J].石油化工自動(dòng)化，2012，48(04)： 23-29.

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

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

[10] 孫海，李兆明.溫度計(jì)套管的性能測試計(jì)算[J].石油化工自動(dòng)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(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于中建安裝工程有限公司，任自控設(shè)計(jì)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。