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如何从涡旋引起的振动和机械疲劳中节省热电偶套管

来源:发表时间:2018-09-27

    在快速流动条件下,在热电偶套管后面形成尾流并产生以相反方向旋转的涡流。然后这些涡流脱落,导致摆动的升力和阻力,导致无支撑的杆振动到机械故障点。


    长期以来,螺旋设计一直用于抑制各种应用中的流动引起的力。它还有助于控制热电偶套管中的涡流引起的振动,这一问题困扰着一家大型石油企业。目标:找到一种有效,经济和持久的替代方案,使用支撑环来稳定其热套管。


    金莎娱乐官方网站热套管可靠性:

    温度是跨行业和行业测量最多的参数。各种温度传感器包括热电偶,电阻温度计(RTD)和双金属温度计。这些仪器可以原样使用,也可以使用简单的金属护套。但是,在特别恶劣的环境中,传感器需要更好的缓冲。 


    全球范围内使用热电偶套管来保护温度传感器免受高过程压力,腐蚀性介质等的影响。大多数热电偶套管都是用实心棒料加工而成,通常是不锈钢或其他耐腐蚀合金 - 取决于工艺条件。将传感器插入热电偶套管的孔中,然后将其直接放入工艺流中。热量从流体传递到热电偶套管壁,然后传递到温度传感器。


    热电偶套管具有另一个优点:它们允许操作员轻松更换温度测量传感器。拆除,更换并完成。 


    这些热电偶套管坚固,可靠且持久耐用。然而,它们有时因机械疲劳而失效。这是怎么发生的?


    漩涡的麻烦

    当任何物体插入移动的液体中时,流动可以在该物体周围产生流体静力和空气动力。在某些条件下,围绕圆柱形热电偶套管流动的流体会产生尾流。该尾迹产生涡旋,其以相反的方向旋转然后分离(脱落)。正如流体动力学的大多数员工所知,这种现象是Kármán涡街。


    涡旋脱落产生垂直于流动方向的周期性升力和与流动一致的周期性拖曳力。这些力导致热电偶套管发生震动。涡激振动(VIV)的频率由尾流的频率决定,而尾流的频率又取决于热电偶套管的直径和流体的速度。


    开口频率随流体速度线性增加,但诱导力随速度的平方增加。结果,即使流体速度的小幅增加也可以产生更强的力。当脱落频率接近热电偶套管的固有频率时,热电偶套管可以“锁定”并进入共振状态 - 从而迅速增加振动力。钝体受到振动的影响越大,机械疲劳就越早失效。对于热电偶套管,故障通常发生在弯曲应力最强的基座处。


    唤醒频率计算

    在确定使用哪种热套管设计时,重要的是要考虑其在特定应用中的VIV潜力。为此,请根据ASME PTC 19.3 TW-2016查找热电偶套管的唤醒频率计算(WFC)。 


    该计算考虑了共振频率,静态应力,动态应力和允许压力限制等。计算分为动态和静态计算结果。使用阻尼因子N SC进行动态结果的评估。(Scruton Number N SC与从涡旋脱落频率f s到固有频率f n的容许频率比r max有直接关系。)简化后,气体介质的特征值为N SC > 2.5; 流体通常具有N SC<2.5。ASME PTC 19.3 TW-2016的静态结果由最大允许过程压力(取决于过程温度和热套管的几何形状)和热套管根部区域的弯曲应力产生。


    如果WFC通过,一切都很顺利。如果WFC失败,用户必须改变介质(不切实际和不合需要的)或热套管(更可行)。

 

 


    该热电偶套管的螺旋形条带破坏了流动并阻碍了确定的涡流的形成,避免了振动激发,因此,没有发生热电偶套管的共振。


    螺旋形热电偶套管:经过验证的概念,新应用

   金莎娱乐官方网站科学家们早就知道螺旋设计有利于控制流动引起的力。几十年来,螺旋形横梁在许多应用中帮助减少了涡流引起的振动,包括烟囱,汽车天线,海上立管和悬索桥电缆。


    使用相同的概念,带有螺旋形带的热电偶套管断裂过程流体流动并阻碍Kármán涡旋街道的形成。在螺旋形热电偶套管后面发现的涡流很小而且很弱。扩散的VIV的幅度显着降低并且不会激发热电偶套管。在没有激发的情况下,热套管共振不是风险。


    具有螺旋设计的热电偶套管可以将振荡幅度降低90%以上,同时仍然允许使用原始阀杆尺寸的最大允许压力负载。与传统的热电偶套管一样,这些创新的配件易于安装。操作员无需调整长度或直径,或者需要花费时间和费用来改造带有支撑环的热电偶套管。 


    螺旋设计可用于所有固体加工的热电偶套管,具有多个过程连接,包括法兰连接,万斯通设计和焊接或螺纹过程连接。这种类型的热电偶套管特别适用于石化工艺,海上应用和工厂建设。它还推荐用于关键测量点和高过程负载。


   


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