温度计套管的性能测试计算
温度计套管断裂原因分析及解决方案
温度计套管断裂原因分析及解决方案马如宏【摘要】分析并推测了温度计套管断裂的可能原因——共振,阐述了共振的产生原因.参照尾流振动频率和固有频率的计算公式,提出了五种避免温度计套管在使用过程中产生共振的解决办法；最终在不影响测量精度的前提下对温度计套管的设计、选型提出了科学、合理的解决方案；并重新计算了新设计的温度计套管在实际工况中的尾流振动频率fs和固有频率fcn,确认在该工况下套管将不再因为共振发生断裂.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2013(049)001【总页数】3页(P61-63)【关键词】温度计套管;固有频率;尾流振动频率;共振【作者】马如宏【作者单位】北京沃利帕森工程技术有限公司上海分公司,上海200001【正文语种】中文【中图分类】TQ056.1+1温度是石化、化工、冶金、电力等行业不可缺少的重要参数之一，温度计按测温元件是否接触被测介质可以分为接触式和非接触式两大类。
接触式测温方式具有简单、可靠、成本低廉等优点，在工业生产中得到广泛应用。
由于石化行业中被测介质往往具有毒性、易燃易爆、腐蚀、高温、高压等危险性，为了在不停止生产的前提下在线维修和更换测温元件，利用温度计套管与被测介质相接触，测温元件通过感受温度计套管末端温度来测量流体实际温度。
由于套管直接深入工艺设备、管道中，接触工艺介质，当某种原因引起套管发生断裂，轻则损坏测温元件，导致工艺介质泄漏；重则损坏机泵、压缩机等关键设备，造成安全事故。
出现该问题时，不能仅换上同样规格的温度计套管，需找出导致温度计套管断裂的原因，提出相应的解决、改进方案，才能避免类似事故发生。
1 温度计套管断裂实例某合成氨装置在生产过程中曾经发生了减温减压器蒸汽管线泄漏事故，经紧急停车检查后发现事故是由于蒸汽管线上的温度计套管断裂引起的。
因此笔者代表设计方分析温度计断裂原因，并提出可行的解决方案。
1.1 温度计套管断裂原因分析根据以往经验，导致温度计套管断裂的原因主要有以下5个方面：1）温度计套管共振是由于流体流经温度计套管产生的尾流振动频率fs接近套管的固有频率引起的，严重时可能造成套管的断裂。
温度计套管性能研究
温度计套管性能研究孔祥翠;张育玮;胡泊【摘要】现有的温度计套管性能分析主要集中在固定频率和激励频率关系上,忽略了套管的受力情况.根据ASME PTC 19.3TW-2010,引入了频率限制、稳态应力限制、动态应力限制、流体静力学应力极限四个准则,判断套管是否适用于各种工况,并通过计算实例验证方法可行性.同时,分析了套管几何尺寸对部分套管性能的影响,对温度计套管的选型设计具有一定的参考价值.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2016(052)005【总页数】5页(P54-57,60)【关键词】温度计套管;频率限制;稳态应力;动态应力;流体静力学应力极限【作者】孔祥翠;张育玮;胡泊【作者单位】中国寰球工程公司新疆分公司,新疆克拉玛依833699;中国寰球工程公司新疆分公司,新疆克拉玛依833699;中国寰球工程公司新疆分公司,新疆克拉玛依833699【正文语种】中文【中图分类】TH811温度是工业生产中最普遍、最重要的热工参数之一[1-2]。
在测量温度时，为了保护感温元件免受机械损伤和腐蚀，延长温度计的使用寿命，一般都会配有保护套管[3-5]。
常见的套管类型有锥形、直形、阶梯形，过程连接形式有法兰连接、螺纹连接、焊接。
套管特性主要受到几何结构、过程连接形式、材质等的影响。
以往的套管性能分析主要集中在套管的固有频率和激励频率限制上，具有一定的局限性[6-7]。
实际上，套管在流体中受到多种力的共同作用，包括流体冲击引起的稳态应力、卡曼漩涡引起的动态激励等，如果分析不全面，可能会造成套管选型不合适，影响温度计测量精度。
随着物理学科的发展，对套管建模和受力分析将更加准确，为更多地深入分析不同工况下的套管性能[8-9]提供了支持。
笔者根据ASME PTC 19.3 TW—2010[10]，论述了判断套管是否合适的四个准则，并且分析了套管几何尺寸对套管性能的影响，有效地保证了温度计在准确可靠测量的基础上优化套管设计。
温度套管强度计算方法
力的能力。 ２）验证套管承受来自介质流动产 生 的 稳态应
力 和 疲 劳 应 力 （也 称 动 态 应 力 ）的 能 力 。 由于共振与非共振工况下套管应力计算的理
论公式完 全 不 同［４］，因 此 为 了 计 算 不 同 流 速 条 件 下的稳态 应 力 和 疲 劳 应 力，必 须 判 断 套 管 是 否 有 共振现象发生。
稿 件 收 到 日 期 ：２０１８－０６－１２，修 改 稿 收 到 日 期 ：２０１８－１１－１６。 作者简介：张宓（１９８１—），男，黑 龙 江 大 庆 人，获 工 学 硕 士 学 位，现 就职于 大 庆 石 化 工 程 有 限 公 司 ，主 要 从 事 自 动 控 制 设 计 工 作，任 工 程师。
工业用热电偶、热 电 阻、双 金 属 温 度 计 等 温 度 检测元件，要 求 既 能 迅 速 准 确 测 温 又 能 够 具 有 足 够的强度，以满足 复 杂 工 况 要 求。 因 此，在 工 业 温 度测量领 域 大 量 使 用 了 温 度 套 管，套 管 可 以 隔 断 温度检测 元 件 与 介 质 的 直 接 接 触，并 进 行 有 效 支 撑和固定，以达到延 长 使 用 寿 命、提 高 安 全 性 和 改 善可维护性的目的 。 ［１］
本文在 ＡＳＭＥ ＰＴＣ １９．３ＴＷ—２０１６《温 度 套 管性能测试规范》的 基 础 上［３］，结 合 其 他 文 献 的 相 关内容，总 结 出 了 一 套 温 度 套 管 强 度 计 算 的 具 体 实现方法。 １ 温 度 套 管 强 度 计 算 内 容
当套管插入具有流动介质的管道或容器时， 受力状况类似于１根悬臂梁受到介质压力以及流 动引起的 冲 击 力 的 干 扰 作 用，因 此 套 管 强 度 计 算 应包括以下几方面的内容：
温度计套管的计算
１ 温 度计 套 管的计 算
简谐 运 动 的振 动 频率 是 由振 动物 体 本 身 的性 质决 定的 ， 以叫 固有 频率 （ ） 所 。固有频 率 与物体 的密 度 、 形等物 理 因素有 关 。 外
转 方 向 相 反 的 有 规 则 的 两 行 涡 列 ， 称 为 卡 曼 故
涡街 。
勺 勺
与被 测介 质相接 触 ， 温度 测量 仪表 可分 为接 触式 与 非接 触式 两大类 。在 现代 化 的石油 化工 装置 中 ， 接 触式 温度 仪 表 依 据 测 量 原 理 主要 分 为 以下 几 种 ：
（） １
式 中 Ｓ— —斯 特 罗 哈 系 数 ， 雷 诺 数 为 ５× ￡ 在
１ １ × １ 范 围 内 ， ￡ 本 上 Ｏ～ ５ Ｏ 的 Ｓ 基
是一个 常 数 ， 于 圆柱体 Ｓ ＝０ ２ ； 对 ｔ ． ０
— —
计算 ， 温度计 套管 的形 状和 结构形 式 应该依 据 介质
的方 法 。
对卡 曼涡街 的研究 发现 ， 由于柱 面上 的涡 以一
定 的频率 交替 脱落 ， 因而柱 面压 力和 切 向力也 以相 同的频率 发生 规则 的 变化 ， 生 交 变 的横 向力 ， 产 如
果这 个施 加在 圆柱 上 的横 向交 变 力 与 圆柱 的 固有
频率 相等 ， 就会 引起 柱 的共 振 ， 其 振 幅越 来 越 大 使
收 稿 日期 ： ０ ７ ０ — ２ 修 改 稿 收 到 日期 ：２ ０ — ３ ２ ２０ － ３ １ ； ０７ ０ — ８
温度计保护套管共振频率计算及适用工况探讨
温度计保护套管共振频率计算及适用工况探讨温度计保护套管是一种用于保护温度计和增强其测量精度的装置。
在实际应用中，温度计保护套管的共振频率是一个重要的参数，它直接影响着温度计的测量精度和稳定性。
因此，对温度计保护套管的共振频率进行准确的计算和分析，可以帮助我们更好地了解其性能特点，并为实际工况的选择和应用提供参考依据。
首先，我们需要了解温度计保护套管的共振频率计算方法。
一般来说，温度计保护套管的共振频率可以通过有限元分析或理论计算的方法来求解。
有限元分析是一种数值计算方法，通过对温度计保护套管的结构进行离散化，建立有限元模型，然后通过求解特征值问题来得到共振频率。
而理论计算则是基于结构力学和振动理论，通过对温度计保护套管的几何形状、材料性质和边界条件等进行分析，推导出共振频率的计算公式。
在实际计算中，可以根据具体情况选择合适的方法进行计算，以获得准确的共振频率值。
其次，我们需要讨论温度计保护套管的适用工况。
温度计保护套管通常用于工业生产过程中的温度测量，因此在选择和应用时需要考虑到工作环境的要求和限制。
例如，在高温、高压、腐蚀性环境下，需要选择耐高温、耐腐蚀的材料制成的保护套管；在振动、冲击较大的工况下，需要考虑保护套管的抗振动性能。
此外，温度计保护套管的共振频率也是一个重要的参数，应根据具体的工况要求进行计算和分析，以确保温度计的测量精度和稳定性。
综上所述，温度计保护套管的共振频率计算和适用工况探讨是温度计应用中的重要问题，通过对共振频率的准确计算和工况的合理选择，可以提高温度计的测量精度和可靠性，确保其在工业生产过程中的准确应用。
在实际工程中，需要结合理论计算和实验验证的方法，对温度计保护套管的性能进行全面的评估和优化，以满足不同工况下的需求。
温度计套管尾频计算wfc[详解]
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温度计套管的性能测试计算
温度计及传感器按照测温方式可以分为接触式和非接触式，工业冷冻机组大多使用的是接触式，由于制冷系统内部压力比较高，一般采用将温度计插入套管中，温度计套管与测温流体直接接触，测温套管设计如果不合理，会导致套管发生共振而损坏，不仅直接影响温度测量，还会造成制冷系统的泄露，因此设计套管时必须进行性能计算。
对温度计套管经常采用尾频计算【WFC】：
WFC是Wake Frequency Calculation
当流体流经温度计套管时，由于套管对流体的遮挡作用导致流体的动量发生改变，而这将会在套管后部产生一个湍流尾流，而且这个尾流内会形成一个漩涡，且漩涡会沿着套管两边交替地脱落，这种交替脱落的漩涡直接作用于套管上，会对套管产生两种周期性变化的力：沿流体流动方向的升力和流体流动方向平行的曳力，这两种力将导致套管发生振动，严重时会导致套管发生共振，对温度计套管造成损坏。
对于温度计套管性能测试计算时需要核算三个量：
1、振动计算
尾流振动频率f w、温度计套管固有频率f n
要求【f w / f n≤0.8】总的设计原则
2、最大操作压力
必须满足材料的许用应力
3、最大插入深度
满足f w / f n≤0.8。
温度计套管尾频计算WFC
温度计套管的性能测试计算
温度计及传感器按照测温方式可以分为接触式和非接触式，工业冷冻机组大多使用的是接触式，由于制冷系统内部压力比较高，一般采用将温度计插入套管中，温度计套管与测温流体直接接触，测温套管设计如果不合理，会导致套管发生共振而损坏，不仅直接影响温度测量，还会造成制冷系统的泄露，因此设计套管时必须进行性能计算。
对温度计套管经常采用尾频计算【WFC】：
WFC是Wake Frequency Calculation
当流体流经温度计套管时，由于套管对流体的遮挡作用导致流体的动量发生改变，而这将会在套管后部产生一个湍流尾流，而且这个尾流内会形成一个漩涡，且漩涡会沿着套管两边交替地脱落，这种交替脱落的漩涡直接作用于套管上，会对套管产生两种周期性变化的力：沿流体流动方向的升力和流体流动方向平行的曳力，这两种力将导致套管发生振动，严重时会导致套管发生共振，对温度计套管造成损坏。
对于温度计套管性能测试计算时需要核算三个量：
1、振动计算
尾流振动频率f w、温度计套管固有频率f n
要求【f w / f n≤0.8】总的设计原则
2、最大操作压力
必须满足材料的许用应力
3、最大插入深度
满足f w / f n≤0.8
综合诸多因素，对温度计套管影响最大的因素是：温度计套管插入深度、温度计套管尖端直径，设计时需考虑审核，以满足总的设计原则。
温度计套管的性能测试
温度计套管的性能测试王志强;马龙涛【摘要】The article analyses and speculated that the thermometer casing possible causes of bent and even broken——resonance, resonance causes are described. Summarizes a thermowell performance test methods and steps, and an example to elaborate the thermowells for natural frequencies and the relationship between Vortex shedding frequency, and stresses the need to meet the conditions of the thermowell.%本文分析并推测了温度计套管弯曲甚至断裂的可能原因——共振，阐述了共振产生的原因，总结出了一个温度计套管性能测试的方法步骤，并通过一个实例详细阐述了温度计套管固有频率和漩涡脱落频率之间的关系，以及温度计套管的应力需要满足的条件。
【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2016(023)007【总页数】5页(P81-85)【关键词】温度计套管;卡曼涡街;共振;固有频率【作者】王志强;马龙涛【作者单位】中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026;中国石油大学华东，山东青岛 266580【正文语种】中文温度是石化、化工、冶金、电力等行业不可缺少的重要测量参数之一。
按照测温方式的不同，目前温度计可以分为接触式温度计和非接触式温度计两大类。
非接触式温度计可以分为红外式温度计和辐射式温度计；接触式温度计主要包括水银膨胀式温度计、电容式温度计、热电偶温度计和热电阻温度计等。
简单、可靠、成本低廉是接触式温度计的突出优点。
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收稿日期:2008205228。
作者简介:孙 海(1980—),男,2006年毕业于石油大学(华东),获得油气储运专业硕士学位,现在中国石油工程建设公司(CPECC )设计部工作,目前主要从事压气站项目的工艺设计工作,任工程师。
温度计套管的性能测试计算孙 海,李兆明(中国石油工程建设公司设计技术部,北京 100011) 摘要:针对温度计套管在石油工程项目中的广泛应用,介绍了温度计套管在安全性能计算中应该考虑的主要因素和计算方法,并通过一个计算实例,阐述了温度计套管的固有频率和伴流频率的关系以及温度计套管的最大插入深度和最大操作压力,对不合理的设计结果提出了解决方法。
关键词:温度计套管;性能测试计算;伴流频率;固有频率;最大插入深度;最大操作压力中图分类号:T H811 文献标识码:B 文章编号:100727324(2008)0520017204The Performance T est C alculation of Thermow ellSun Hai ,Li Zhaoming(China Petroleum Eng.&Const ruc.Co.Eng Depart ,Beijing ,100011,China )Abstract :The main factors related wit h t hermowell design calculation and t hermowell performance test calculation met hod are int roduced.The relationship between nat ural f requency and wake f requency of t he t hermowell ,t he calculation of t hermowell maximum insertion lengt h and maximum operating p ressure is explained in detail t hrough an example.Reasonable solutions are p ut forward against incorrect design.K eyw ords :t hermowell ;performance test calculation ;wake frequency ;nat ural frequency ;maximum insertion lengt h ;maximum operating pressure 1 引 言目前温度计按照测温方式可以分为接触式温度计和非接触式温度计,其中接触式温度计可以分为膨胀式温度计(如玻璃管水银温度计、双金属温度计等)、热电偶、热电阻、半导体管、电容式温度传感器等,非接触式温度计可以分为辐射式和红外式温度计。
石油工业中温度测量多采用接触式温度计,且用于现场指示的温度计多采用双金属温度计,用于温度远传的多采用热电偶和热电阻温度计。
由于在石油工业中往往需要测量带压设备内流体介质的温度,且测温流体多具有一定的腐蚀性,因此为了保证带压设备的密封性和防止测温元件发生腐蚀,一般采用将温度计插入套管中,温度计套管与测温流体直接接触,测温元件通过感受温度计套管末端温度来测量流体实际温度[1～3]。
目前应用在石油工业中的温度计套管主要有两种形式,即螺纹式和法兰式。
在使用时,温度计套管采用螺纹或法兰连接的方式与主工艺管道上事先预制好的支管相连,然后再将温度计插入到温度计套管内,以实现测温的目的,如图1,图2所示。
图1 法兰式套管与工艺设备连接图2 螺纹式套管与工艺设备连接工程设计及标准 石 油 化 工 自 动 化,2008,5∶17AU TOMA TIONIN PETRO 2CH EMICAL INDUSTR Y目前,在设计温度计套管的尺寸中,设计者往往容易忽略设计结果的合理与否,而不合理的尺寸设计往往会导致套管因共振而损坏等一系列严重的后果,直接影响到温度测量。
因此对温度计套管设计尺寸的校验、确定设计结果的合理性方面是非常有必要的。
提出的温度计套管性能测试计算的目的,就是为了检验设计出来的温度计套管尺寸,是否能够承受工艺流体不同的操作条件变化对套管造成的影响,并且能够对不合理的设计结果提出改进意见,从而保证了套管尺寸设计的安全性。
2 温度计套管性能测试计算2.1 振动计算[4,5]当流体流经温度计套管时,由于套管体对流体的遮挡作用导致流体的动量发生改变,而这将会在套管后部产生一个湍流尾流,并且这个尾流内会形成一个漩涡,且漩涡会沿着套管两边交替地脱落,这种交替脱落的漩涡直接作用于套管体上,对套管会产生两种周期性变化的力:沿着流体流动方向的升力和流体流动方向平行的曳力。
这两种力将导致套管发生振动,并且当尾流振动频率(f W)接近温度计套管本身的固有频率(f n)时,振动愈厉害,当f W=f n 时,尾流与温度计套管发生共振,此时升力和曳力急剧增加,温度计套管将由于强烈振动而损坏。
温度计套管的振动计算就是检验温度计套管本身的固有频率与伴流频率是否满足ASME PTC19.3的要求,即:r=f wf n≤0.8(1)f w=0.22vB(2)f n=0.04K fU2Eρ(3)其中 r———尾流振动频率与温度计套管固有频率比率;v———流体速度,m/s;B———温度计套管尖端直径,m;K f———常数,见表1所列;U———温度计套管插入深度,m;E———温度计套管材料在使用温度下的弹性模量(具体数值见表2),kPa;ρ———温度计套管材料的密度(具体数值见表3),kg/m3。
表1 K f的取值[4]套管插入深度U/mm(inch)孔径公称尺寸d/mm(inch)6.35(1/4)9.525(3/8)14.2875(9/16)17.4625(11/16)22.225(7/8)63.5(212) 2.06 2.42 2.97 3.32 3.84 114.3(412) 2.07 2.45 3.01 3.39 3.96 190.5(712) 2.08 2.46 3.05 3.44 4.03 266.7(1012) 2.09 2.47 3.06 3.46 4.06 406.4(16) 2.09 2.47 3.07 3.47 4.08 609.6(24) 2.09 2.47 3.07 3.48 4.09表2 E的取值(×6.9GPa)[5]材 料t/℃(℉)21(70)93(200)150(300)200(400)260(500)315(600)370(700)425(800)480(900)590(1000)590(1100)650(1200)Stainless Steel328.327.62726.525.825.324.824.123.522.822.121.2C.Steel29.528.828.327.727.326.725.524.222.420.418.0—Inconel30.329.529.128.828.328.127.627.026.425.825.324.7 Monel26.025.425.024.724.324.123.723.122.622.121.721.2 300SS28.327.727.126.626.125.424.824.123.422.722.021.3 400SS29.228.728.327.727.026.024.823.121.118.615.612.2 注:3适用于304,310S,316,321和347不锈钢。
81石油化工自动化 2008年表3 温度计套管材料的密度ρ(×27680)取值表[5]材 料302304309310316321347ALLO Y400ALLO Y600A105AL UM1100ALUM606121NICKEL200MonelNAVALBRASSINC800HASTBρ/(kg・m-3)0.290.290.290.290.290.290.290.320.30.280.10.10.320.310.30.290.332.2 最大操作压力温度计套管在一定材料和一定温度下能承受的最大压力可由式(4)计算:p=K1S(4)式中 p———最大允许操作压力(表压),kPa;K1———常数,见表4所列;S———操作温度下套管材料的许用应力(见表5所列),M Pa。
2.3 最大插入深度U max=11.8K2vυS-K3p o1+F m(5)式中 U max———套管的最大插入深度,mm;K2,K3———常数,见表4所列;v———流体速度,m/s;υ———流体比体积,m3/kg;p o———操作压力(表压),kPa;F m———放大系数,F m=r2/(1-r2)。
表4 K1,K2,K3的取值[4]常数d/mm(inch)6.35(1/4)9.525(3/8)14.2875(9/16)17.4625(11/16)22.225(7/8) K10.4120.3340.2230.2020.155 K237.542.346.848.750.1 K30.1160.2050.3890.5480.864表5 温度计套管材料在使用温度下的S(×6.9MPa)[5]材 料t/℃(υ)21(70)93(200)150(300)204(400)260(500)316(600)371(700)427(800)482(900)538(1000)593(1100)649(1200)C.Steel14.314.314.314.213.612.811.99.4 5.0———Inconel23.321.119.919.118.618.418.218.0————Monel16.714.613.613.413.213.113.012.78.0———304SS20.016.715.013.812.912.311.711.210.810.49.8 6.1 310SS20.017.616.115.114.313.713.312.912.59.9——316SS20.017.315.614.313.312.612.111.811.511.311.17.4 321SS20.018.016.515.314.313.513.012.612.312.0 6.9 3.6 347SS20.018.417.116.015.014.313.813.613.413.29.1 4.4 446SS18.618.518.318.218.118.017.9—————3 计算实例D N500的某条输送天然气碳钢管,操作温度是60℃,操作压力(表压)是1198M Pa,流体流速为20.89m/s,流体密度为19.72kg/m3,在管线上安装一个法兰式锥形温度计套管,套管材料是316SS,计划采用温度计套管尺寸:插入深度U=413mm,尖端直径B=18mm,孔径尺寸6.6mm,以下验证这样的设计参数是否合理。