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熱電偶套管問題

2021-08-19

熱電偶套管問題

尋求通過將傳感器和熱電偶套管安裝到流動(dòng)的流體流中來測(cè)量溫度的儀表工程師必須進(jìn)行許多關(guān)鍵評(píng)估。

問題
當(dāng)流體流過熱套管時(shí)，兩側(cè)會(huì)形成高壓和低壓渦流。這些漩渦以交替模式先從一側(cè)分離，然后從另一側(cè)分離。這種現(xiàn)象通常稱為渦旋脫落。

由交替渦流引起的壓差會(huì)產(chǎn)生渦激振動(dòng) (VIV)，從而產(chǎn)生應(yīng)力并引起橫向和軸向偏轉(zhuǎn)，最終會(huì)導(dǎo)致熱套管破裂。

工程師是否可以設(shè)計(jì)熱套管以避免可能導(dǎo)致疲勞和故障的 VIV 相關(guān)條件？

答案是肯定的，但只有使用正確的工具。

熱電偶套管
給定操作環(huán)境中給定熱電偶套管的成功或失敗與 VIV 頻率與熱電偶套管的自然諧振頻率的匹配程度有關(guān)。

當(dāng)這兩個(gè)值相互匹配時(shí)，位移將是最大的，并且最有可能導(dǎo)致?lián)p壞。

這兩個(gè)頻率都可以使用機(jī)械工程師協(xié)會(huì) (ASME) 創(chuàng)建的公式進(jìn)行計(jì)算。

其當(dāng)前版本為ASME PTC 19.3 TW-2016，可用于從四點(diǎn)評(píng)估組件配置和運(yùn)行參數(shù)組合：

頻率限制
熱套管的共振頻率必須足夠高，以免在操作中達(dá)到，避免與 VIV 頻率匹配的可能性。

動(dòng)態(tài)應(yīng)力限制
動(dòng)態(tài)應(yīng)力不得超過疲勞應(yīng)力極限。

靜態(tài)應(yīng)力限制
穩(wěn)態(tài)應(yīng)力不得超過應(yīng)力極限。

靜水壓力限制
外部壓力不得超過尖端、柄部或法蘭的額定值。

必須滿足所有這四個(gè)限制，才能將熱套管設(shè)計(jì)視為安全。

設(shè)計(jì)計(jì)算
由于 ASTM 公式中有近 20 個(gè)與工藝條件和熱套管尺寸相關(guān)的變量，手工計(jì)算是不切實(shí)際的。

工程師通常在電子表格中構(gòu)建公式，以促進(jìn)數(shù)據(jù)保留和數(shù)字運(yùn)算。

對(duì)于每種情況，工程師必須遵循相同的步驟：

●設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)
●將其置于操作環(huán)境中（應(yīng)包括一系列條件，例如正常、啟動(dòng)、最大值、坡度變化等）
●創(chuàng)建實(shí)施
●逐次迭代測(cè)試它，逐漸朝著能夠通過所有四個(gè)評(píng)估點(diǎn)的解決方案努力。
這種耗時(shí)、反復(fù)試驗(yàn)的努力通常會(huì)導(dǎo)致熱套管比所需的更厚和更大，因?yàn)楣讲荒鼙砻骺尚械慕Y(jié)果實(shí)際上是矯枉過正，也不能提供最佳設(shè)計(jì)解決方案。

過大的熱電偶套管會(huì)減慢溫度測(cè)量響應(yīng)時(shí)間，并且需要更大的穿透力和障礙物進(jìn)入管道。

該公式實(shí)現(xiàn)了它所承諾的：它權(quán)衡一組給定的參數(shù)并提供通過或失敗的等級(jí)，但僅此而已。它不會(huì)為用戶指明更好的解決方案。

移動(dòng)到下一個(gè)功能級(jí)別需要更復(fù)雜的方法。一個(gè)處理單元中可能有數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，都需要評(píng)估。

熱套管設(shè)計(jì)軟件
正確的熱套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)包括幫助工程師優(yōu)化熱套管設(shè)計(jì)的功能。

例如，考慮標(biāo)簽“TR-101”的一組假設(shè)維度和操作參數(shù)。

除了簡(jiǎn)單的通過或失敗之外，我們還希望熱套管設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)在告訴我們關(guān)于標(biāo)簽 TR-101 的信息，無論是單獨(dú)的還是與單元、過程、工廠或企業(yè)中涉及的所有其他溫度標(biāo)簽的關(guān)聯(lián)?

以下是熱套管設(shè)計(jì)軟件可以提供的一些基本功能：

范圍內(nèi)/范圍外
ASME 公式包括任何熱套管必須滿足的尺寸標(biāo)準(zhǔn)（壁厚和尖端厚度等）。

如果任何輸入變量超出可接受的范圍，則會(huì)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記并建議更合適的解決方案。

尺寸問題
如果熱電偶套管與安裝不兼容，例如長于管道直徑或太短而無法從安裝短管中伸出，則會(huì)被標(biāo)記。

建模程序可以將尺寸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為熱套管及其安裝的比例圖，以指示組件如何裝配在一起以及熱套管尖端與管道中心的距離。

調(diào)用類似裝置
如果標(biāo)簽要求在 10厘米管道上安裝法蘭，則熱套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)尋找類似的安裝，包括定義的尺寸、操作參數(shù)或其他相關(guān)因素，并盡可能推薦相同的設(shè)計(jì)，以降低庫存復(fù)雜性。
如果公司或設(shè)施對(duì)某種熱套管外形、安裝方法或其他考慮有偏好，則熱套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)首先提出這些建議。

熱套管目錄
以前使用的熱套管應(yīng)將其所有尺寸存儲(chǔ)在熱套管設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)庫中，以便可以輕松地從列表中提取。

這種查找功能可以擴(kuò)展到設(shè)施的特定零件編號(hào)，或擴(kuò)展到經(jīng)批準(zhǔn)的供應(yīng)商目錄，以最大限度地減少潛在庫存項(xiàng)目的數(shù)量。

僅僅報(bào)告給定標(biāo)簽在一個(gè)或多個(gè)條件下未通過測(cè)試是不夠的。

熱套管設(shè)計(jì)軟件必須進(jìn)入下一步并分析失敗的原因，然后再進(jìn)一步并提出補(bǔ)救措施。

在簡(jiǎn)單的情況下，這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的更改，例如在不犧牲所需測(cè)量位置的情況下縮短插入長度，或者可能將壁厚增加一兩毫米。

在更困難的情況下，它可能會(huì)建議一種完全不同的解決方案，例如抗 VIV 雙絞線熱套管輪廓，或非接觸式溫度測(cè)量解決方案。

維連TR30具有獨(dú)特的外形，旨在避免正常的尾流脫落問題。

它的幾何形狀破壞了長漩渦的形成，使它們能夠在兩側(cè)形成，因此它們往往會(huì)相互平衡并相互抵消。

結(jié)果是振動(dòng)小得多，在某些情況下減少了 90%。

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