張宓,劉建吉,宋志遠(yuǎn)
(大慶石化工程有限公司,黑龍江 大慶 163714)
工業(yè)用熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計(jì)等溫度檢測(cè)元件,要求既能迅速準(zhǔn)確測(cè)溫又能夠具有足夠的強(qiáng)度,以滿足復(fù)雜工況要求。因此,在工業(yè)溫度測(cè)量領(lǐng)域大量使用了溫度套管,套管可以隔斷溫度檢測(cè)元件與介質(zhì)的直接接觸,并進(jìn)行有效支撐和固定,以達(dá)到延長使用壽命、提高安全性和改善可維護(hù)性的目的[1]。
測(cè)溫點(diǎn)的工況決定了套管的類型、材質(zhì)和連接結(jié)構(gòu)。要解決套管強(qiáng)度與快速準(zhǔn)確測(cè)溫之間的矛盾,就要準(zhǔn)確地分析出導(dǎo)致套管損壞的主要原因。因此,在溫度套管設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)所在工況進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算[2],以保證強(qiáng)度能夠適用于所用工況。
本文在ASME PTC 19.3 TW—2016《溫度套管性能測(cè)試規(guī)范》的基礎(chǔ)上[3],結(jié)合其他文獻(xiàn)的相關(guān)內(nèi)容,總結(jié)出了一套溫度套管強(qiáng)度計(jì)算的具體實(shí)現(xiàn)方法。
當(dāng)套管插入具有流動(dòng)介質(zhì)的管道或容器時(shí),受力狀況類似于1根懸臂梁受到介質(zhì)壓力以及流動(dòng)引起的沖擊力的干擾作用,因此套管強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)包括以下幾方面的內(nèi)容:
1) 驗(yàn)證套管本身及套管連接件承載介質(zhì)靜壓力的能力。
2) 驗(yàn)證套管承受來自介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和疲勞應(yīng)力(也稱動(dòng)態(tài)應(yīng)力)的能力。
由于共振與非共振工況下套管應(yīng)力計(jì)算的理論公式完全不同[4],因此為了計(jì)算不同流速條件下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和疲勞應(yīng)力,必須判斷套管是否有共振現(xiàn)象發(fā)生。
判斷共振現(xiàn)象是否發(fā)生的依據(jù)是考慮安裝依從系數(shù)時(shí)的套管自然頻率fnc和介質(zhì)漩渦脫落頻率fs的比值[5]。理論研究表明介質(zhì)的漩渦脫落在套管上會(huì)產(chǎn)生兩種類型的力: 橫向振動(dòng)升力,頻率為fs;縱向振動(dòng)阻力,頻率為2fs。當(dāng)fs或者2fs與fnc接近時(shí),共振現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生,即: 當(dāng)fs=fnc時(shí),橫向共振發(fā)生;當(dāng)fs=0.5fnc時(shí),縱向共振發(fā)生。在fs接近0.5fnc或fnc時(shí)會(huì)有“鎖定”現(xiàn)象。因此,為了避免共振發(fā)生,一般要求fnc與fs的比值是1個(gè)區(qū)域而不是1個(gè)點(diǎn)。
ASME PTC 19.3 TW—2016《溫度套管性能測(cè)試規(guī)范》中對(duì)溫度套管強(qiáng)度計(jì)算所適用的形式有具體的要求。
套管類型由套管的連接方式和套管形式確定,具體見表1所列。錐形套管截面如圖1所示,階梯形套管截面如圖2所示[1,6-7]。
表1 溫度套管類型選擇
圖1 錐形套管截面示意
圖2 階梯形套管截面示意
1) 直形套管和錐形套管的外形尺寸限制見表2所列。插深大于表2中最大值時(shí),文中計(jì)算方法仍然有效,但是僅適用于整體棒料鉆孔的套管。
表2 直形套管和錐形套管外形尺寸限制 mm
2) 階梯形套管的外形尺寸限制見表3所列。本文中對(duì)于階梯型套管fnc的計(jì)算要求頭部直徑B為表3中所列值,如不涉及fnc計(jì)算,B將不受該限制。
表3 階梯形套管外形尺寸限制 mm
3.1.1頻率限制的合格判定依據(jù)
頻率限制的合格判定依據(jù)是:
(1)
3.1.2合格判定依據(jù)的應(yīng)用原則
計(jì)算套管的質(zhì)量阻尼因數(shù)Nsc,也稱為斯柯拉頓(Scruton)數(shù):
(2)
式中:ζ——阻尼系數(shù);ρm——套管材料密度,kg/m3;ρ——介質(zhì)密度,kg/m3。
1) 如果Nsc>2.5且雷諾數(shù)Re<105,則fs<0.8fnc。
2) 如果Nsc>64且Re<105,那么流速在超過fs<0.8fnc條件限制下的流速值是可以的,但應(yīng)考慮套管高次共振的發(fā)生。
3) 如果Nsc≤2.5或Re≥105,則按照下列步驟判斷:
a) 計(jì)算縱向共振流速vIR。
b) 用vIR計(jì)算縱向振動(dòng)應(yīng)力Sd,從而得出尖峰振動(dòng)彎曲最大應(yīng)力Somax,此時(shí)忽略橫向振動(dòng)應(yīng)力SL。
c) 如果滿足縱向共振條件下的疲勞應(yīng)力限制條件,則fs<0.8fnc。
d) 如果不滿足縱向共振條件下的疲勞應(yīng)力限制條件,則fs<0.4fnc。
e) 穩(wěn)態(tài)操作時(shí),介質(zhì)流速不在縱向共振鎖定區(qū)域,即0.4fnc fs瞬時(shí)出現(xiàn)在縱向共振條件下是允許的,例如開停車、緊急停車等工況下,只要套管在該縱向共振區(qū)域停留的時(shí)間很短且疲勞應(yīng)力小,只要保證不使套管受到損壞即可。 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力限制條件應(yīng)滿足: LHS≤RHS LHS= (3) RHS=1.5S 式中:Sr——徑向壓力,Pa;St——圓周壓力應(yīng)力,Pa;Smax——最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力;S——套管材質(zhì)最大允許應(yīng)力。 疲勞應(yīng)力限制條件應(yīng)滿足: Somax (4) 外部壓力pr應(yīng)大于最大操作壓力p,即:pr>p。 1) 套管初始自然頻率計(jì)算公式: (5) 2) 計(jì)算修正系數(shù)。參照ASME PTC 19.3 TW—2016計(jì)算修正系數(shù)Hf,流體附加質(zhì)量修正系數(shù)Haf,傳感器質(zhì)量修正系數(shù)Has和安裝依從系數(shù)Hc。 3) 理想支撐套管的最低自然頻率fn: fn=HfHafHasfa (6) 4) 考慮套管安裝依從系數(shù)的自然頻率fnc: fnc=Hcfn (7) 1) 漩渦脫落頻率與介質(zhì)流速的關(guān)系: (8) 式中:Ns——斯特羅哈數(shù),是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。 2)Ns的計(jì)算公式: 在進(jìn)行簡單估算或介質(zhì)黏度難于確定時(shí),可認(rèn)為Ns=0.22。 1) 計(jì)算套管上的應(yīng)力: a) 徑向壓力的應(yīng)力Sr: Sr=p (10) b) 圓周壓力的應(yīng)力St: (11) c) 軸向壓力的應(yīng)力Sa: (12) 2) 計(jì)算套管支撐面的介質(zhì)下游側(cè)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力SD: (13) 式中:CD——穩(wěn)態(tài)壓力阻力系數(shù),CD=1.4;Gβ——參數(shù),參照ASME PTC 19.3 TW—2016計(jì)算。 4.4.1非縱向共振條件下共振放大系數(shù)計(jì)算 1) 在非縱向共振條件下,橫向共振放大系數(shù): (14) 2) 在非縱向共振條件下,縱向共振放大系數(shù): (15) 4.4.2振動(dòng)應(yīng)力 1) 橫向振動(dòng)應(yīng)力SL: (16) 式中:Cl=1.0。 2) 縱向振動(dòng)應(yīng)力Sd: (17) 式中:Cd——振動(dòng)壓力阻力系統(tǒng),Cd=0.1。 3) 最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力Smax: Smax=SD+Sa (18) 4.4.3在縱向共振條件下的疲勞應(yīng)力計(jì)算 1) 建立在縱向共振條件下的流速vIR計(jì)算: 式中:a(R)=0.028 5R2-0.049 6R,且R=lg(Re/Re0),Re0=1 300;μ——?jiǎng)恿︷ざ取?/p> 如果采用簡化斯特羅哈數(shù)計(jì)算,即Ns=0.22,則縱向共振流速計(jì)算公式可簡化為 (20) 3) 應(yīng)力集中系數(shù)Kt在沒有更直接的可用數(shù)據(jù)的情況下,使用下列參數(shù): a)b值未知時(shí),Kt取2.2。 b) 螺紋連接時(shí),Kt最小取2.3。 c) 如果已知b和A,則: (21) 4) 疲勞應(yīng)力限制條件中FT,F(xiàn)E,Sf的確定: a) 套管在生命周期里可能到達(dá)1×1011次振動(dòng),屬于高循環(huán)限制條件下的振動(dòng),其Sf值可依據(jù)表4選取。 b) 當(dāng)FE≤1時(shí),允許調(diào)整疲勞極限。對(duì)于在其他環(huán)境或超過427 ℃情況下使用表4的值,需要通過減少FE值以考慮腐蝕或相關(guān)影響。 c) 溫度校正因數(shù)FT: FT=E(T)/Eref (22) 式中:Eref——彈性模量參考值。對(duì)于A級(jí)材料,Eref=202 GPa,但對(duì)于低鉻合金,Eref=213 GPa;對(duì)于B級(jí)材料,Eref=195 GPa,但對(duì)于鎳銅合金,Eref=179 GPa。 表4 Sf參數(shù)的取值 MPa 1) 當(dāng)壓力小于103 MPa時(shí),套管桿部設(shè)計(jì)靜態(tài)壓力pc: (23) 2) 套管端部的設(shè)計(jì)壓力pt: (24) 3) 套管外部壓力pr的確定。對(duì)于法蘭型套管,支撐套管的法蘭設(shè)計(jì)壓力為pf,pr是pc,pt,pf中的最小值;對(duì)其他類型套管,pr是pc,pt中的最小值。 對(duì)于錐形保護(hù)套管的自然頻率計(jì)算可以采用李滋法,該方法計(jì)算過程比較繁瑣,經(jīng)過整理簡化后的基頻計(jì)算公式為[8] (25) 李滋法的頻率限制條件沒有考慮fs=0.5fnc 圖3 AMSE標(biāo)準(zhǔn)和李滋法的頻率比范圍示意 在實(shí)際工程中溫度套管強(qiáng)度計(jì)算是必不可少的環(huán)節(jié)[9-10],一個(gè)實(shí)用的計(jì)算方法能夠更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。文中所給出的溫度套管強(qiáng)度計(jì)算方法切實(shí)有效,對(duì)工程設(shè)計(jì)和溫度套管的制造具有指導(dǎo)意義。3.2 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力限制條件
3.3 疲勞應(yīng)力限制條件
3.4 壓力限制條件
4 溫度套管強(qiáng)度計(jì)算方法
4.1 套管自然頻率計(jì)算
4.2 漩渦脫落頻率計(jì)算
4.3 在設(shè)計(jì)流速條件下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力計(jì)算
4.4 在設(shè)計(jì)流速條件下的疲勞應(yīng)力計(jì)算
4.5 套管壓力限制計(jì)算
5 李滋法計(jì)算套管自然頻率
6 頻率比限定范圍
7 結(jié)束語