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。