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。

2）温度计套管所在工艺管道振动过大，导致温度计套管疲劳损坏。

3）温度计套管制造加工不合理，如使用了不合适的材质或套管有裂纹等。

4）工艺介质流速过大，使得套负管载过大，应力超过极限。

5）温度计套管安装存在缺陷，如存在焊缝等。

案例分析：输送蒸汽的管线经过工艺管廊，管线上没有泵、风机等动设备，蒸汽管线在管廊上安装有减振的弹簧支架，基本排除工艺管线振动引起的套管断裂；温度计套管为整体钻孔，法兰连接，不存在焊缝、漏焊等机械安装问题；另外与断裂套管的材质、安装方式、插入深度和尺寸均相似的该项目同一批次温度计套管，在使用过程中却没有任何损坏。

从而通过排除法可以判断出，可能是共振导致该套管断
裂的主要原因。

1.2 共振产生的机理及危害
当流体流经温度计套管时，由于套管体对流体的阻滞作用导致流体的动量发生改变，将会在套管后部产生一个湍流尾流，并且在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（卡门涡街现象），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，即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，且当fs愈接近时，振动愈剧烈；当fs
＝时，尾流与温度计套管发生共振，此时升力和曳力急剧增加，温度计套管将被损坏［1］。

由于剧烈振动，使套管内的温度元件读数产生误差甚至温度元件损坏。

ASME PTC 19.3—2010（以下简称 ASME规范）要求必须满足才能避免共振的
产生，保证温度计套管的安全性。

根据ASME规范提供的计算公式分别计算fs和以此来验证共振是否是导致该套管断裂的真正原因。

2 温度计套管的计算
2.1 工艺参数和套管尺寸
根据实际工况，发生断裂的温度计套管，所在的工艺管线管径为DN300，管线材质为碳钢（A105），操作温度为183℃，操作压力为1.0MPa，蒸汽最大设计流
速v 为15m／s，密度ρ 为5.64kg／m3，黏度μ为0.015Pa·s。

发生断裂的温度计套管为直形法兰式整体钻孔套管，与管道上焊接的短管法兰连接，短管法兰面与工艺管道外壁的距离为0.15m。

套管材料为316SS，套管无支撑长度（插入长度）L为0.3m，套管根部直径DA和感温部位直径DB相同，均为0.018m，孔径d
为0.012m。

2.2 的计算
的计算式为
式中：fa——套管近似固有频率；Hf——细长梁理论偏差修正系数；Ha，f——
流体质量修正系数；Ha，s——感温元件质量修正系数；Hc——套管的弹性系数。

式中：Da——套管的平均直径，对于直形套管，Da＝DA＝DB＝0.018m；E——操作温度下的弹性模量（材质为316SS不锈钢，通过查询ASME B31.1，得
184GPa）；ρm——316SS不锈钢在常温下的密度，为8t／m3。

代入各参数后得：
式（5）中：ρs——插入温度计套管的感温元件的平均密度，ASME规范定义了感温元件无论是热电偶还是热电阻，其平均密度均等于2.7t／m3。

综上所述，根据式（1）可以得出为130.77Hz。

2.3 fs的计算
fs的计算公式为
式中：v——工艺介质流速；DB＝Da＝0.018m；Ns——斯特劳哈数，Ns的计算方法取决于雷诺数Re的大小，因而fs的计算需要先计算Re。

实际工况下Re的计算：
根据ASME规范，当22≤Re＜1 300，Ns的计算公式为
综上所述，根据式（7）可以得出fs为143.33Hz。

fs／f＝143.33／130.77＝1.1＞0.8，不能满足ASME规范的要求，套管在此工况下将会产生共振。

验证结论：共振正是导致该套管断裂的原因。

3 解决方案
根据共振产生的机理以及计算公式，影响的主要因素有ρm，E，Da，L和d，影
响fs的因素主要有ρ，v，μ和DB。

由于介质密度、黏度等为常数，只能从套管
材料、尺寸以及温度计的安装位置上着手，尽量增大f，减小fs，从而保证fs／f
＜0.8，避免共振的产生。

1）改用其他材质的温度计套管。

在相同温度下，应优先考虑E较大而ρ较小的材料，同时需要综合考虑套管材料的工程造价以及工艺介质对套管材质的影响（如在合成氨装置中禁止使用铜及铜合金），合理选择。

2）缩短温度计套管插入长度。

由式（2）可知，L减小时，fa相应成平方增大，
所以当温度计套管不符合设计要求时首选减少L来增大f，但L不能少于管道公称直径的三分之一，否则将影响温度计测量的准确性。

3）增大套管平均直径。

为提高套管的厚度，由式（2），式（7）～（9）可以看出，fa 随Da 的增大而增大，fs与DB成反比。

因而增大Da可以达到增大fa的
同时减小fs的效果。

因此Da选择过大会加大热传导损失，降低热传递速度，影
响温度计测量的准确性，在选择时要综合考虑。

4）改变套管的形式。

可以选用锥形套管或阶梯式套管，在DB相同的情况下，这
两种套管跟直形套管相比有着比较大的Da，根据式（2），在其他参数相同的情
况下，锥形套管或者阶梯式套管比直形套近似固有频率要大，其强度也高于直形套管。

5）改变套管的安装位置。

从减小fs的角度，将套管安装在同一管线上流体流速相对较低的位置，比如弯头处等。

若采用前四个改进方案后套管仍无法满足ASME
规范要求，可以考虑采用该方案。

综合考虑以上方案及现场实际情况，笔者选择了第二种方案，仍然采用了直形套管，
保持Da不变。

为了保证测量精度，不改变套管长度，只是在安装温度计的短管法兰内壁焊接安装了1个金属保护圈，保护圈外径等于短管法兰内径，内径为
0.018m，正好等于套管外径，保护圈底部与管道外壁平齐，保护圈如图1中涂黑部分所示。

保护圈对套管起到了支撑作用，变相缩短L为L′，L′变为套管端部到保护圈底部的距离，即L′＝0.15m（忽略管道壁厚）。

图1 改进后套管及温度计安装示意
将L′代入式（2），（3），（6），可得改进后套管的fa＝645.32Hz，Hf＝
0.937，Hc＝0.985，Ha，f及Ha，s的取值与L无关，与原计算结果相同，则改进后温度计套管的f＝513.64Hz。

由式（7）可知，L的改变对fs没有影响，仍为143.33Hz。

fs／f＝0.279＜0.8，套管将不会因为共振而断裂，满足要求。

改进后的温度计套管在装置运行过程中一直完好无损。

4 结束语
综上所述，共振是导致套管断裂的主要原因。

针对共振产生的机理，可以采取缩短套管长度，增大套管平均直径等方法来改进。

对于文中断裂的温度计，其套管感温部位正好处于工艺管道中心，长度符合设计规定要求，但在苛刻的工况下仍发生了断裂。

因此，在套管选型设计时需充分考虑套管所在工艺状况，对套管进行固有频率和操作状况下尾流振动频率的计算，并采取有效手段，改进设计，避免温度计套管在生产过程中发生共振而损坏，保证生产装置安全、平稳地运行。

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