王凱衛(wèi)，龔達樂

(中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計分公司，北京 100085)

溫度儀表保護套管(以下簡稱“套管”)在工業(yè)中應用廣泛，起到阻隔溫度檢測元件和工藝介質(zhì)的作用，對工藝裝置的安全至關(guān)重要，其故障可能會造成整個工藝裝置的事故。1995年日本某核電站發(fā)生了一次嚴重的事故，事故原因最終指向了套管的斷裂，而造成斷裂的原因是與流向平行方向的套管振動。該種類型的振動在ASME PTC 19.3 TW—1974版本中并未考慮，正是在該事故后，ASME將該規(guī)范升級為2016版，并在規(guī)范中增加了與流向平行方向的振動分析。因此，在工程設(shè)計中，對套管的性能進行嚴格的計算以保證套管的可靠工作至關(guān)重要。

1 套管在流體中的受力分析及性能計算

在流體中，套管可近似看做1只圓柱體插入工藝管道中，從受力結(jié)構(gòu)來看可認為是1只懸臂梁。套管受到流體沿著流速方向的均布荷載，由于套管對流體的阻擋作用，在套管背面的兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，且在脫離后形成旋渦尾流現(xiàn)象，即卡曼渦街?？鼫u街的旋渦以一定的頻率產(chǎn)生、脫離和逸散，圓柱體兩側(cè)的壓強也以相同的頻率發(fā)生周期性變化，當旋渦脫落頻率等于套管某類自振頻率時，圓柱體就會發(fā)生劇烈的振動進而造成套管斷裂。套管所受到的力可分為三部分： 與流向平行方向力的靜態(tài)分量FD，與流向平行方向力的動態(tài)分量Fd，與流向垂直方向的力Fi，套管受力情況如圖1所示。

圖1 溫度儀表保護套管受力情況示意

當流體流經(jīng)套管時，渦街脫離將在套管上產(chǎn)生以下2種周期性變化的力：

1)與流向垂直方向的力，變化頻率等于渦街脫離的頻率fs。

2)與流向平行方向的力，變化頻率等于渦街脫離的頻率fs的2倍。

圖2 溫度儀表保護套管的振動頻率與流速間的關(guān)系示意

2 套管性能計算中的注意事項

按照ASME PTC 19.3 TW—2016的要求，套管應當符合以下幾個方面的要求才能通過性能計算： 頻率。自振頻率應當足夠大，以確保套管不會發(fā)生諧振而損壞；動態(tài)應力。由旋渦脫離所產(chǎn)生的2個周期性變化的力作用于套管上的最大主應力，即最大主動態(tài)應力應當小于套管的許用疲勞應力；穩(wěn)態(tài)應力。由于流體的流速作用于套管上的最大穩(wěn)態(tài)應力應當小于套管的允許應力；耐壓能力。套管各部分包括端部、桿部及法蘭的壓力等級應當小于套管所承受的外壓。

以上4方面的計算過程在ASME PTC 19.3 TW—2016中有詳細的描述，該處不再贅述。以下僅闡述常規(guī)套管計算過程中的誤區(qū)和容易忽視的細節(jié)。

2.1 流體最大流速的選擇

套管強度計算中流體最大流速的選擇應慎重，必須考慮所有工況條件，包括： 裝置開車、裝置停車、工藝裝置運行波動、壓力泄放等情況。假如在穩(wěn)態(tài)工況下套管的自振頻率并不接近某一旋渦脫離的頻率而僅在某些非穩(wěn)態(tài)情況下接近某旋渦脫離的頻率，也有可能在短期的非穩(wěn)態(tài)情況下造成套管劇烈的振動，進而造成損壞。

2.2 低流速工況

在極低的流速情況下，由于所受的力很小，套管發(fā)生機械損壞的可能性幾乎可以不需要考慮。因此，在滿足以下條件的情況下可不計算套管的振動：

1)流體的最大流速低于0.64 m/s。

2)溫度儀表保護套管尺寸滿足以下條件： (A-d)≥9.55 mm;L≤0.61 m;A≥B≥12.7 mm。

3)套管的材質(zhì)的S≥69 MPa且Sf≥21 MPa。

4)套管在操作運行中不會發(fā)生腐蝕或者脆變。

其中A——套管在支撐點的外徑；d——套管內(nèi)部的孔徑；L——套管的未支撐部分的長度，一般是指套管端部到支撐面的距離；S——最大許用應力；Sf——在高頻振動情況下疲勞應力限值。需注意的是，在保護套管滿足以上要求時，仍然需要計算耐壓能力。

2.3 脈沖流的影響

由于ASME PTC-19.3 TW—2016中僅考慮了穩(wěn)態(tài)流體，并未考慮脈沖流。如果流體的流速以接近套管自振頻率的頻率變化時，也有可能引起套管的共振。例如在接近離心泵后出口的位置等脈沖流態(tài)中運行，可能會導致套管的機械損壞。因此必須注意： 套管應當盡量遠離導致流體產(chǎn)生脈沖的源頭。

2.4 湍流流體工況

在湍流流體中，管道中心與管壁間的溫度差可以忽略不計，因此將套管長度變短，所產(chǎn)生的溫度計精度變化可以忽略不計。因此在湍流流態(tài)的管道中，可盡量降低插入深度，以降低套管的振動和作用于套管上的力。

2.5 諧振區(qū)

經(jīng)計算，如果Strouhal頻率處于與流向平行方向的諧振區(qū)和與流向垂直方向的諧振區(qū)之間，且在滿足以下條件的情況下，計算結(jié)果可接受：

1)流體為氣態(tài)。

2)流體僅在非正常工況下穿越與流向平行方向的諧振區(qū)，如裝置開車、停車或者其他非常規(guī)操作。

3)諧振峰值下作用于套管上的應力小于材料的疲勞應力。

4)套管的機械斷裂故障風險是可以接受的。

2.6 安裝于彎頭處的套管的計算

彎頭處安裝套管有兩種方式： 端部順流體方向和端部指向流體方向。

ASME PTC 19.3 TW—2016中并未對該安裝方式給出指導性的計算方法。該規(guī)范中說明可參照垂直安裝套管的方法計算，但是由于該計算方法過于保守，且該種安裝方式可用于在常規(guī)設(shè)計中套管接近自振頻率的情況的備選方案，因此該規(guī)范認可針對該安裝方式使用計算機動態(tài)模型計算或者實驗的方法，以確定流體的流態(tài)進而確定套管上所受的力。

ASME PTC-19.3 TW—2016中推薦采用端部指向流體方向的安裝方式，原因是流體在通過彎頭后將形成漩渦。如果采用端部順著流體方向的安裝方式，該旋渦會通過套管的端部，進而引起端部的振動；而在端部指向流體方向的安裝方式的情況下，該旋渦的產(chǎn)生應當是在套管的端部之后，流體在端部基本為層流，因此不會對套管的端部產(chǎn)生影響。

3 非常規(guī)套管性能計算的注意事項

3.1 螺旋狀套管

部分套管供應商設(shè)計了某些非常規(guī)的套管形狀，通過改變套管的幾何形狀來降低渦流引起的振動，下面介紹其中一種新型的套管。常規(guī)的套管是圓錐形結(jié)構(gòu)，流體流經(jīng)套管時，會在整個套管的長度范圍內(nèi)形成渦流，進而形成振動。但是某供應商設(shè)計了一種新型的螺旋狀套管；該設(shè)計的優(yōu)點： 可將連續(xù)的旋渦打斷，并在流向垂直方向的兩側(cè)均勻地產(chǎn)生旋渦，而兩側(cè)的旋渦在套管上形成的作用力可抵消，降低的作用力最多可達90%，進而大幅降低了渦流引起的振動。

ASME PTC 19.3 TW—2016中明確說明該種類型的套管不在規(guī)范的范圍內(nèi)，因此如果需要采用該種類型的套管，建議要求供應商出具權(quán)威第三方機構(gòu)的認證。

3.2 套管的保護圈

當某些套管計算無法通過的情況下，制造商會推薦采用增加保護圈的方式來降低未支撐部分的長度，結(jié)構(gòu)如圖3所示，進而降低自振頻率和所受的應力，從而達到通過性能計算的目的。由于套管末端的振幅一般都比較小(小于0.5 mm)，保護圈和管道間的任何間隙都會導致保護圈的失效。因此增加保護圈后，支撐保護圈與管道間必然為剛性的過盈連接，在套管發(fā)生振動的情況下，套管會像錘子敲擊一樣持續(xù)不斷地在管道上施加作用力，會逐漸造成套管和管道間的間隙擴大，最終可能會造成支管臺焊縫的開裂，也可能使套管產(chǎn)生形變，套管所承受的局部應力就會變大，進而造成套管斷裂，也可能由于間隙擴大造成保護圈失效，套管自振頻率就會增加，進而使套管進入諧振區(qū)導致套管損壞。因此，在ASME規(guī)范中不推薦采用該安裝方式。

圖3 套管加裝保護圈結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)束語

由于套管的計算不當可造成套管的斷裂，進而造成重大的生產(chǎn)事故，同時由于國內(nèi)還沒有涉及該問題的規(guī)范。因此，建議設(shè)計人員應當嚴格按照ASME PTC 19.3 TW—2016計算套管。同時，建議國內(nèi)應當盡快就該問題設(shè)立自己的強制規(guī)范，以防止由套管斷裂造成的重大事故的發(fā)生。