温度计套管的性能测试计算.pdf

1、 收 稿 日 期 : 2008 205 228。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

2、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 H81

3、1 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 : 1007 27324 (2008) 05 20017 204The Performance Test Calculation of ThermowellSun Hai , Li Zhaoming(China Petroleum Eng. performance test calculation ; wake frequency ; nat ural frequency ; maximuminsertion lengt h ; maximum operating pressure1 引 言目 前 温 度 计 按 照 测 温 方 式 可 以 分

4、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

5、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

6、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 TION IN PETRO2CH EMICAL INDUSTR Y目 前 ,在 设 计 温

7、 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

8、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

9、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

10、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 wfn 0. 8 (1)f w = 0. 22 vB (2)f n = 0. 04 KfU2 E (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 ;Kf 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

11、 料 在 使 用 温 度 下 的 弹性 模 量 (具 体 数 值 见 表 2) ,kPa ; 温 度 计 套 管 材 料 的 密 度 (具 体 数 值 见表 3) ,kg/ m3 。表 1 Kf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. 287 5 (9/ 16) 17. 462 5 (11/ 16) 22. 225 (7/ 8)63. 5 (2 12 ) 2. 06 2. 42 2. 97 3. 32 3. 84114. 3 (4 12 ) 2. 07 2. 45 3

12、. 01 3. 39 3. 96190. 5 (7 12 ) 2. 08 2. 46 3. 05 3. 44 4. 03266. 7 (10 12 ) 2. 09 2. 47 3. 06 3. 46 4. 06406. 4 (16) 2. 09 2. 47 3. 07 3. 47 4. 08609. 6 (24) 2. 09 2. 47 3. 07 3. 48 4. 09表 2 E的 取 值 ( 6. 9 GPa) 5 材 料t/ ( )21(70)93(200)150(300)200(400)260(500)315(600)370(700)425(800)480(900)590(1 000)

13、590(1 100)650(1 200)Stainless Steel 3 28. 3 27. 6 27 26. 5 25. 8 25. 3 24. 8 24. 1 23. 5 22. 8 22. 1 21. 2C. Steel 29. 5 28. 8 28. 3 27. 7 27. 3 26. 7 25. 5 24. 2 22. 4 20. 4 18. 0 Inconel 30. 3 29. 5 29. 1 28. 8 28. 3 28. 1 27. 6 27. 0 26. 4 25. 8 25. 3 24. 7Monel 26. 0 25. 4 25. 0 24. 7 24. 3 24.

14、1 23. 7 23. 1 22. 6 22. 1 21. 7 21. 2300 SS 28. 3 27. 7 27. 1 26. 6 26. 1 25. 4 24. 8 24. 1 23. 4 22. 7 22. 0 21. 3400 SS 29. 2 28. 7 28. 3 27. 7 27. 0 26. 0 24. 8 23. 1 21. 1 18. 6 15. 6 12. 2注 : 3 适 用 于 304 , 310 S , 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 ( 27 680)取

15、值 表 5 材 料 302 304 309 310 316 321 347 ALLO Y400 ALLO Y600 A105 ALUM1100 ALUM6061 21 NICKEL200 Monel NAVALBRASS INC800 HASTB /(kg m - 3) 0. 29 0. 29 0. 29 0. 29 0. 29 0. 29 0. 29 0. 32 0. 3 0. 28 0. 1 0. 1 0. 32 0. 31 0. 3 0. 29 0. 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

16、式 (4)计 算 :p = K1 S (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 ) ,MPa。2. 3 最 大 插 入 深 度Umax = 11. 8 K2v S - K3 po1 + Fm(5)式 中 Umax 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 ; 流 体 比 体 积 ,m3 / kg ;po 操 作 压 力 (表 压 ) ,kPa ;Fm 放 大 系

17、 数 , Fm = 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. 287 5(9/ 16)17. 462 5(11/ 16)22. 225(7/ 8)K1 0. 412 0. 334 0. 223 0. 202 0. 155K2 37. 5 42. 3 46. 8 48. 7 50. 1K3 0. 116 0. 205 0. 389 0. 548 0. 864表 5 温 度 计 套 管 材 料 在 使 用 温 度 下 的 S( 6. 9 MPa) 5 材 料t/ ( u )2

18、1(70)93(200)150(300)204(400)260(500)316(600)371(700)427(800)482(900)538(1 000)593(1 100)649(1 200)C. Steel 14. 3 14. 3 14. 3 14. 2 13. 6 12. 8 11. 9 9. 4 5. 0 Inconel 23. 3 21. 1 19. 9 19. 1 18. 6 18. 4 18. 2 18. 0 Monel 16. 7 14. 6 13. 6 13. 4 13. 2 13. 1 13. 0 12. 7 8. 0 304 SS 20. 0 16. 7 15. 0 1

19、3. 8 12. 9 12. 3 11. 7 11. 2 10. 8 10. 4 9. 8 6. 1310 SS 20. 0 17. 6 16. 1 15. 1 14. 3 13. 7 13. 3 12. 9 12. 5 9. 9 316 SS 20. 0 17. 3 15. 6 14. 3 13. 3 12. 6 12. 1 11. 8 11. 5 11. 3 11. 1 7. 4321 SS 20. 0 18. 0 16. 5 15. 3 14. 3 13. 5 13. 0 12. 6 12. 3 12. 0 6. 9 3. 6347 SS 20. 0 18. 4 17. 1 16. 0

20、15. 0 14. 3 13. 8 13. 6 13. 4 13. 2 9. 1 4. 4446 SS 18. 6 18. 5 18. 3 18. 2 18. 1 18. 0 17. 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 1 198 MPa ,流 体 流 速为 20. 89 m/ s ,流 体 密 度 为 19. 72 kg/ m3 ,在 管 线 上安 装 一 个 法 兰 式 锥 形 温 度 计 套 管 ,套 管 材 料 是316 SS ,计 划 采 用 温 度 计 套 管 尺 寸 : 插

21、入 深 度 U =413 mm ,尖 端 直 径 B = 18 mm ,孔 径 尺 寸 6. 6 mm ,以 下 验 证 这 样 的 设 计 参 数 是 否 合 理 。3. 1 检 验 套 管 振 动 计 算根 据 式 (2) : f w = 0. 22 vB = 255. 3 ( Hz)温 度 计 套 管 的 固 有 频 率 f n的 计 算 :U = 413 mm = 0. 413 m ,查 表 得 Kf = 2. 09 ,E = 1. 93 108 kPa , = 8 027. 2 kg/ m3 , 根 据 式(3) : f n = 0. 04 KfU2 E = 75. 9 ( Hz)

22、。由 于 f w f n ,根 据 式 (1) 的 判 断 准 则 ,该 套 管会 发 生 强 烈 振 动 而 损 坏 ,所 以 该 套 管 尺 寸 的 选 取 是不 合 理 的 。为 了 满 足 r = f w / f n 0. 8 ,可 以 增 大 套 管 尖端 直 径 ,例 如 可 取 B = 30 mm ;或 者 缩 短 套 管 插 入91第 5 期 孙 海 等 . 温 度 计 套 管 的 性 能 测 试 计 算深 度 ,例 如 可 取 U = 190. 5 mm。此 时 查 表 得 Kf = 2. 08 ,则 重 新 计 算 f w 和 f n :f w = 153. 2 Hz ,

23、f n = 355. 1 Hz , r = f w / f n =0. 42 po , 因 此 该 温 度 计 套 管 能 满 足 压 力 的 要 求 。3. 3 检 验 UmaxK2 = 37. 5 , K3 = 0. 116 , Fm = r2 / (1 - r2 ) =0. 422 / (1 - 0. 422 ) = 0. 214 , v = 20. 89 m/ s , S =127. 845 MPa , po = 1. 198 MPa , = 1/ =0. 051 m3 / kg , 则 Umax = 11. 8 K2v S - K3 po1 + Fm= 1 546. 86 ( mm)

24、 ,由 于 设 计 出 来 的 套 管 插 入 深 度U = 190. 5 mm , Umax U , 因 此 温 度 计 套 管 插 入 深度 是 合 适 的 。4 对 温 度 计 套 管 不 合 理 尺 寸 设 计 的 改 进 意 见通 过 上 面 的 实 例 计 算 可 以 发 现 ,影 响 套 管 性 能测 试 计 算 的 主 要 因 素 是 U 和 B 。当 采 用 性 能 测 试 计 算 检 验 设 计 出 来 的 温 度 计套 管 尺 寸 不 合 理 时 ,可 采 用 以 下 措 施 对 温 度 计 套 管进 行 改 进 ,使 得 温 度 计 套 管 能 够 满 足 性 能 测

25、试 计 算标 准 要 求 。a) 减 小 U ,但 是 U 的 最 小 值 不 能 小 于 主 工 艺管 线 直 径 的 33. 3 %。b) 变 换 温 度 计 套 管 的 类 型 ,温 度 计 套 管 的 类 型主 要 有 锥 形 套 管 、 直 套 管 和 阶 级 套 管 ,其 强 度 由 强 到弱 排 列 顺 序 为 : 锥 形 套 管 直 套 管 阶 级 套 管 。c) 加 大 B ,需 要 注 意 的 是 ,温 度 计 套 管 的 最 大根 部 直 径 Dmax = (支 管 直 径 - 4) mm。d) 采 用 速 度 垫 圈 ,相 当 于 减 小 了 U 。 需 要 注意 的

26、是 : 速 度 垫 圈 和 支 管 之 间 的 距 离 公 差 为 1 mm ,且 支 管 内 部 需 要 打 磨 光 滑 以 便 于 安 装 速 度 垫 圈 。e) 其 他 措 施 。 主 要 是 改 变 温 度 计 套 管 的 材 质和 改 变 温 度 计 套 管 的 安 装 位 置 。 改 变 套 管 材 质 可能 会 使 造 价 大 幅 度 提 高 ,因 此 一 般 不 推 荐 采 用 ;改变 套 管 的 安 装 位 置 主 要 是 将 套 管 安 装 在 弯 头 处 ,因为 在 弯 头 处 流 体 流 速 比 较 低 6 。当 选 用 以 上 的 改 进 措 施 时 ,应 首 先 选

27、 择 减 小 U这 条 改 进 措 施 ,如 果 采 用 这 条 改 进 措 施 还 是 不 满足 ,则 再 变 换 温 度 计 套 管 的 类 型 ,依 此 类 推 ,逐 条 选择 改 进 措 施 ,直 到 温 度 计 套 管 满 足 性 能 测 试 计 算 的要 求 。5 结 束 语温 度 计 套 管 性 能 测 试 计 算 在 检 验 温 度 计 套 管尺 寸 设 计 是 否 合 适 时 是 至 关 重 要 的 ,不 合 理 的 尺 寸设 计 会 导 致 温 度 计 套 管 在 使 用 时 发 生 损 坏 ,因 此 在总 结 项 目 实 际 经 验 的 基 础 上 ,本 文 给 出 了

28、性 能 测 试计 算 的 方 法 和 步 骤 ,还 提 出 了 五 条 改 进 措 施 ,采 用这 些 改 进 措 施 就 能 很 方 便 地 对 不 合 理 的 套 管 尺 寸进 行 重 新 设 计 ,从 而 保 证 了 温 度 计 套 管 在 使 用 中 的安 全 性 。 但 需 要 注 意 的 是 ,性 能 测 试 计 算 适 用 于 测温 流 体 流 动 的 情 况 ,而 当 测 温 流 体 处 于 静 止 状 态 时不 需 要 对 温 度 计 套 管 进 行 性 能 测 试 计 算 。参 考 文 献 :1 范 玉 久 ,朱 麟 章 . 化 工 测 量 及 仪 表 . 北 京 : 化

29、学 工 业 出 版 社 ,2001. 278 2802 于 忠 国 . 温 度 测 量 误 差 几 点 分 析 . 石 油 化 工 自 动 化 , 2007 , (4) :77 793 API 551 21993 ,Process Measurement Instrumentation4 ASME P TC19. 3 22004 Part3 , Temperat ure Measurement5 ASME Boiler and Pressure Vessel Code , Section VIII , UnfiredPressure Vessels6 汉 建 德 , 郭 峰 , 赵 琼 . 温

30、 度 计 套 管 的 计 算 . 石 油 化 工 自 动 化 ,2007 , (4) : 69 70魏 德 米 勒 喜 获 IRIS 认 证DEKRA 为 德 国 魏 德 米 勒 集 团 公 司 颁 发 了 IRIS(国 际 铁 路 工 业 标 准 )认 证 。IRIS是 针 对 铁 路 行 业 的 新 国 际 质 量 标 准 。 在 DEKRA 按 照 IRIS 各 项 规 定 进 行 认 证 的 过 程 中 ,魏 德 米 勒 始 终 以 优 异 的成 绩 证 明 了 它 的 实 力 。 对 于 魏 德 米 勒 来 说 ,这 一 认 证 的 获 得 标 志 着 魏 德 米 勒 已 经 拥 有

31、 了 更 优 质 的 能 力 ,为 铁 路 行 业 提 供 更完 善 的 行 业 解 决 方 案 。 为 了 寻 求 电 联 接 产 品 在 IRIS 供 应 链 中 拥 有 更 好 的 稳 定 性 , IRIS 标 准 主 要 着 重 于 合 同 、 项 目 和 供 应管 理 ,这 就 需 要 认 证 企 业 对 于 生 命 周 期 成 本 、 结 构 管 理 、 流 程 的 可 靠 性 、 有 效 性 、 持 续 性 和 安 全 性 进 行 特 殊 检 验 。 而 魏 德 米勒 完 全 符 合 IRIS 标 准 的 要 求 。魏 德 米 勒 全 球 交 通 行 业 经 理 ,DetmarSaalmann 说 :“ 除 了 管 理 认 证 DIN EN ISO 9001 : 2000 和 14001 : 2004 ,这 是 我 们第 一 次 在 一 个 联 合 审 核 过 程 中 以 超 越 IRIS 标 准 的 好 成 绩 ,成 功 达 到 了 铁 路 工 业 的 新 标 准 。 ”电 联 接 国 际 贸 易 (上 海 )有 限 公 司02 石 油 化 工 自 动 化 2008 年