温度计套管断裂原因分析及解决方案.pdf

第49卷第1期
石油化工自动化
Vol 49. No
2013年2月
AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRY
Feb
201
?m5
∥
温度计套管断裂原因分析及
解决方案
马如宏
(北京沃利帕森工程技术有限公司上海分公司,上海20000
摘要:分析并推测了温度计套管断裂的可能原因一共振,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讨套管在实际工况中的尾流振动频率f、和固有频率fa,确认在该
工况下套管将不再因为共振发生断裂。
关键词:温度计套管固有频率尾流振动频率共振
中图分类号:TQ056.1+1
文献标志码:B
文章编号:1007~7324(2013)01-0061-03
温度是石化、化工、治金、电力等行业不可缺少温度计套管疲劳损坏。
的重要参数之一,温度计按测温元件是否接触被测
3)温度计套管制造加工不合理,如使用了不
介质可以分为接触式和非接触式两大类。接触式合适的材质或套管有裂纹等。
测温方式具有简单、可靠、成本低廉等优点,在工业
4)工艺介质流速过大,使得套负管载过大,应
生产中得到广泛应用。由于石化行业中被测介质力超过极限。
往往具有毒性、易燃易爆、腐蚀、高温、高压等危险
5)温度计套管安装存在缺陷,如存在焊缝等。
性,为了在不停止生产的前提下在线维修和更换测
案例分析:输送蒸汽的管线经过工艺管廊,管
温元件,利用温度计套管与被测介质相接触,测温线上没有泵、风机等动设备,蒸汽管线在管廊上安
元件通过感受温度计套管末端温度来测量流体实裝有减振的弹簧支架,基本排除工艺管线振动引起
际温度。
的套管断裂;温度计套管为整体钴孔,法兰连接,不
由于套管直接深人工艺设备、管道中,接触工存在焊缝、漏焊等机械安装间题;另外与断裂套管
艺介质,当某种原因引起套管发生断裂,轻则损坏的材质、安装方式、插人深度和尺寸均相似的该项
测温元件,导致工艺介质泄漏;重则损坏机泵、压缩目同一批次温度计套管,在使用过程中却没有任何
机等关键设备,造成安全事故。出现该问题时,不损坏。从而通过排除法可以判断出,可能是共振导
能仅换上同样规格的温度计套管,需找出导致温度致该套管断裂的主要原因
计套管断裂的原因,提出相应的解决、改进方案,オ1.2共振产生的机理及危害
能避免类似事故发生。
当流体流经温度计套管时,由于套管体对流
1温度计套管断裂实例
体的阻滞作用导致流体的动量发生改变,将会在
某合成氨装置在生产过程中曾经发生了减套管后部产生一个湍流尾流,并且在尾流内会形
温减压器蒸汽管线泄漏事故,经紧急停车检査后成一个漩涡,且流涡会沿着套管两边交替地脱落
发现事故是由于蒸汽管线上的温度计套管断裂(卡门涡街现象),这种交替脱落的漩祸直接作用
引起的。因此笔者代表设计方分析温度计断裂于套管体上,对套管会产生两种周期性变化的
原因,并提出可行的解决方案。
力,即沿着流体流动方向的升力和流体流动方向
1.1温度计套管断裂原因分析
平行的曳力。这两种力将导致套管发生振动,且
根据以往经验,导致温度计套管断裂的原因主当,愈接近时,振动愈刷烈;当人、=/;时,尾流
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稿件收到日期:2012-09-13修改稿收到日期:201210-2
套管产生的尾流振动频率f、接近套管的固有频作者简介:马如宏(192-),男,江苏东台人,200年毕业于南京
率m引起的,严重时可能造成套管的断裂。
师范大学电气与自动化学院自动化专业,现工作于北京沃利帕森
2)温度计套管所在工艺管道振动过大,导致工程技术有限公司上海办公室工程部,从事仪表工程设计工作。
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石油化工自动化
第49卷
与温度计套管发生共振,此时升力和曳力急剧增
n=1_
0.865(5)
加,温度计套管将被损坏门。由于剧烈振动,使套
2nL(D,/)2
管内的温度元件读数产生误差甚至温度元件损坏
0.787x(DA-d)
ASME PTC19.32010(以下简称ASME
4LA
规范)要求必须满足、/f<0.8才能避免共振的
产生,保证温度计套管的安全性。根据ASME规式(5)中:R一插入温度计套管的感温元件的
范提供的计算公式分别计算/和/,以此来验证平均密度,ASME规范定义了感温元件无论是
共振是否是导致该套管断裂的真正原因。
热电偶还是热电阻,其平均密度均等于
2温度计套管的计算
2.1工艺参数和套管尺寸
综上所述,根据式(1)可以得出/为
根据实际工况,发生断裂的温度计套管,所在
130.77H
的工艺管线管径为DN300,管线材质为碳钢
2.3f、的计算
(A105),操作温度为183℃,操作压力为1.OMPa,
f、的计算公式为
蒸汽最大设计流速0为15m/s,密度Q为
(7)
5.64kg/m3,黏度x为0.015Pa?s。发生断裂的式中:ー一工艺介质流速;DーD2=0.018m
温度计套管为直形法兰式整体钻孔套管,与管道上N、斯特劳哈数,N的计算方法取决于雷诺数
焊接的短管法兰连接,短管法兰面与工艺管道外壁Re的大小,因而f、的计算需要先计算Re。
的距离为0.15m。套管材料为316SS,套管无支
实际工况下Re的计算
撑长度(插入长度)L为0.3m,套管根部直径D
Re-Da/p=101.52
(8
和感温部位直径D相同,均为0.018m,孔径d为
0.012m。
根据ASME规范,当22≤Re<1300,N.的计
2.2fn的计算
算公式为
的计算式为
N、-0.22×(1-22/Re)=0.172(9)
f。= FNHRH.rHa.H。
综上所述,根据式(7)可以得出/、为
143.33Hz。
式中:f。一-套管近似固有频率;H:一细长梁理
f、f"=143.33/130.77=1.1>0.8,不能满
论偏差修正系数;H。一流体质量修正系数;足ASME规范的要求,套管在此工况下将会产生
H、一感元件质量修正系数;HI、一套管的共振。
弹性系数。
验证结论:共振正是导致该套管断裂的原因
1.8752/E(D2+d2)
解决方案
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根据共振产生的机理以及计算公式,影响/
的主要因素有n,E?D,L和d,影响f、的因素主
式中:D-一套管的平均直径,对于直形套管,要有0,和D。由于介质密度、黏度等为常数
D。=DA=D3=0.018m:E一操作温度下的弹只能从套管材料、尺寸以及温度计的安装位置上着
性模量(材质为316SS不锈钢,通过査询ASME手,尽量增大∫,减小f,从而保证f、/fa<0.8
R31.1,得184GPa);2。-316SS不锈钢在常温避免共振的产生
下的密度,为8t/m3
1)改用其他材质的温度计套管。在相同温度
代人各