周宇博，宋江濤，邢通

(中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

在天然氣、石油化工、發(fā)電等依賴大型渦輪、壓縮機(jī)等作為關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用的行業(yè)中，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，這是正常的，大多數(shù)測(cè)量?jī)x器都能承受一定的振動(dòng)，但是，當(dāng)振動(dòng)過大時(shí)，高振動(dòng)會(huì)削弱溫度傳感器的接線的牢固和絕緣性能，導(dǎo)致間歇性和/或不正確的測(cè)量。極端的振動(dòng)也會(huì)縮短溫度傳感器的壽命，這意味著頻繁的停機(jī)時(shí)間和更高的運(yùn)行成本。

1 溫度計(jì)耐振原理

振動(dòng)對(duì)溫度傳感器的主要影響是機(jī)械應(yīng)力。在熱電偶溫度計(jì)中，振動(dòng)會(huì)引起材料疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣失效和短路造成的測(cè)量不準(zhǔn)確或間歇性讀數(shù)。對(duì)于工業(yè)電阻溫度計(jì)，繞制的RTDs鉑絲非常細(xì)，易受振動(dòng)而斷裂。損壞的RTDs會(huì)在輸出信號(hào)中產(chǎn)生噪聲，給出不規(guī)則的溫度測(cè)量值，最終斷開電路，因此應(yīng)避免在有機(jī)械震動(dòng)的場(chǎng)合使用[1]。但由于熱電阻精度高，使用穩(wěn)定，響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，再加上儀表廠商針對(duì)振動(dòng)采用了一些解決辦法，使得熱電阻是目前工業(yè)遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的首選方案。

振動(dòng)的來源有很多，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)和透平機(jī)等在運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生聲波振動(dòng)，聲波傳遞到熱電偶或電阻溫度計(jì)時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)振動(dòng)。流體介質(zhì)的流動(dòng)也是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一個(gè)來源，流體流經(jīng)溫度計(jì)套管時(shí)，后部會(huì)產(chǎn)生湍流尾流(卡曼旋渦)，當(dāng)尾流的振動(dòng)頻率接近套管的固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振損壞溫度元件[2]。

振動(dòng)對(duì)于溫度計(jì)的影響反映在兩個(gè)方面： 一是振動(dòng)幅度，表現(xiàn)為作用于物體上的力；二是振動(dòng)頻率，表現(xiàn)為受振物體前后運(yùn)動(dòng)的速率。目前多數(shù)制造商通過改進(jìn)感溫元件的材質(zhì)，增加金屬包裹或者彈簧負(fù)載等方法來提升感溫元件的抗振能力。對(duì)于振動(dòng)的計(jì)量，不用力或位移來描述，而是使用重力加速度g來描述振幅，1g=9.8 m/s2。市面上的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)產(chǎn)品的耐振加速度大多為3g，高的可達(dá)到60g。IEC 60751《工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》中對(duì)于耐振溫度元件的測(cè)試也提出了檢測(cè)要求，試驗(yàn)應(yīng)在溫度計(jì)使用工況下進(jìn)行。熱電阻應(yīng)經(jīng)受振動(dòng)頻率為10 Hz～500 Hz，強(qiáng)制加速度為20 m/s2～30 m/s2的振動(dòng)。掃頻速率為每分鐘1倍頻程，掃頻總時(shí)間為150 h。振動(dòng)應(yīng)作用于溫度計(jì)的軸向和橫向上分別施加振動(dòng)，每個(gè)方向的持續(xù)時(shí)間為總時(shí)間的50%，應(yīng)記錄所有諧振點(diǎn)的頻率和狀態(tài)，僅限于基波，并持續(xù)監(jiān)視電連續(xù)性[3]。

2 應(yīng) 用

某天然氣站場(chǎng)采用3臺(tái)12 MW的壓縮機(jī)將天然氣增壓后輸送到下游系統(tǒng)。氣體壓縮方式選擇串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式，串聯(lián)模式下是兩級(jí)壓縮，最高操作壓力達(dá)到10 MPa。為了保護(hù)壓縮機(jī)，防止壓縮機(jī)出口溫度過高，在每一級(jí)壓縮的出口設(shè)置了3臺(tái)溫度變送器，當(dāng)溫度過高時(shí)，采取“2oo3”停機(jī)保護(hù)。壓縮機(jī)出口溫度監(jiān)測(cè)如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)出口溫度監(jiān)測(cè)示意

在機(jī)組系統(tǒng)12 h性能測(cè)試過程中，壓縮機(jī)在串聯(lián)模式下運(yùn)行，壓縮機(jī)二級(jí)出口先后發(fā)生了TIT-02A，TIT-02B溫度傳感器故障，造成壓縮機(jī)兩次聯(lián)鎖停車無法繼續(xù)測(cè)試；在并聯(lián)模式下運(yùn)行，同樣再次發(fā)生了TIT-02A溫度傳感器故障而造成壓縮機(jī)再次聯(lián)鎖停機(jī)。一般情況下，共振是造成熱電偶套管斷裂的主要原因[4]，先考慮為流體共振造成的測(cè)溫元件損壞。

(1)

式中：fa——套管近似固有頻率；Hf——細(xì)長(zhǎng)梁理論偏差修正系數(shù)；Ha， f——流體質(zhì)量修正系數(shù)；Ha， s——感溫元件質(zhì)量修正系數(shù)；Hc——套管的安裝彈性修正系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Da——套管的平均外徑，為0.018 m；E——操作溫度下的彈性模量，1.89×1011Pa；ρm——材質(zhì)在常溫下的密度，8×103kg/m3；ρ——介質(zhì)密度，為0.72 kg/m3；ρs——插入溫度計(jì)套管的感溫元件的平均密度2.7×103kg/m3；d——套管內(nèi)徑，為0.012 m；A——套管根部的外部直徑，為0.018 m；L——套管的插入深度，為0.15 m；b—套管根部的圓角半徑，為0.001 m；

(7)

式中：v——工藝介質(zhì)流速，m/s；Ns——斯特勞哈爾常數(shù)，取0.22。

然而在壓縮機(jī)72 h性能測(cè)試過程中，相同的問題再次發(fā)生，當(dāng)時(shí)壓縮機(jī)提速到9.5×103r/min運(yùn)行時(shí)，TIT-02B溫度傳感器再次出現(xiàn)故障造成聯(lián)鎖停機(jī)。檢查發(fā)現(xiàn)溫度計(jì)電阻內(nèi)部開路，為了解決傳感器故障問題，項(xiàng)目組對(duì)上述溫度計(jì)所處位置進(jìn)行24 h振動(dòng)測(cè)試，串、并聯(lián)兩種模式下振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，表2所列。

表1 串聯(lián)模式振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) μm

表2 并聯(lián)模式振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1，表2可見，在串聯(lián)模式下隨著轉(zhuǎn)速的增加，振動(dòng)的幅度也在增加。在最高轉(zhuǎn)速9.5×103r/min的工況下，振動(dòng)幅度達(dá)到了2 524 μm。在并聯(lián)運(yùn)行6.6×103r/min的工況下，振幅過高。

振動(dòng)的測(cè)算可用式(8)和式(9)：

f=n/60

(8)

a=(2πf)2d′

(9)

式中：a——加速度，m/s2；f——頻率，HZ；d′——振幅，μm。頻率極端情況下，加速度超過60g。

解決方案是更換分體式安裝的增強(qiáng)型耐振溫度計(jì)，減輕溫度計(jì)套管的負(fù)擔(dān)，同時(shí)縮短溫度計(jì)套管插入深度，重新進(jìn)行套管使用限制條件的評(píng)估[7]。根據(jù)API 551—1993《過程測(cè)量?jī)x表》[8]，最短的插入深度是距離管壁上沿5.08 cm(2 in)，更換后最終問題得以解決。

3 結(jié)束語

管道的振動(dòng)不可避免，該項(xiàng)目的溫度計(jì)用于聯(lián)鎖停機(jī)，一旦故障隨即停機(jī)，是一種事故安全型的保護(hù)，雖然沒有發(fā)生危害卻也影響了機(jī)組性能測(cè)試，一定程度上影響工期。對(duì)于應(yīng)用在關(guān)鍵回路上的溫度計(jì)，耐振解決方案[9]應(yīng)參照以下幾個(gè)方面：

1)在總圖布置及管道應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，盡量減小溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)，避免共振的發(fā)生。

2)縮短保護(hù)管的長(zhǎng)度。

3)盡量在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備出口處選用耐振溫度計(jì)。

4)在振動(dòng)無法避免的場(chǎng)合，盡量選用分體式的溫度計(jì)。