何凱云 段麒麟 鐘利軍 李艷偉 劉亮有

摘要：本論文假定溫度計套管的損壞源自于卡門渦街效應，試圖將振動和流量的關(guān)系向更大的流量范圍推移，期望將較大的振動發(fā)生在流量計鑒定證書測定最大流量以外的范圍，可以保證流量在鑒定范圍內(nèi)正常工作。設(shè)想將溫度計套管設(shè)計成翼型結(jié)構(gòu)，代替圓柱形溫度計套管，預期產(chǎn)生的卡門渦街效應受力面會因為尾緣的減小而降低了受力面積，另同樣的材料質(zhì)量下，翼型結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)鋼梁更高，可以承受更大的彎曲力。

關(guān)鍵詞：溫度計套管、翼型、 振動、卡門渦街

1國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀分析

卡門渦街是流體力學中重要的現(xiàn)象，在自然界中較為常見，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街，如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。

目前國內(nèi)外對卡門渦街效應有較多的研究，但沒有對卡門渦街效應導致天然氣輸氣站場溫度計套管產(chǎn)生疲勞應力進行研究。近年來，天然氣站場溫度計凸臺裂縫產(chǎn)生天然氣泄漏的事件逐漸增加，天然氣對溫度計套管產(chǎn)生卡門渦街效應引起振動的問題也隨之引起廣泛關(guān)注。因此，研究天然氣輸氣站溫度計套管卡門渦街效應，防止設(shè)備產(chǎn)生疲勞應力，這對于維持天然氣集輸管線的安全運行意義重大。

2生產(chǎn)需求

2016年10月，西氣東輸吉安站西三線投產(chǎn)過程中，當轉(zhuǎn)供超聲波流量計工況流量達到8000方/時，在流量計10米以外可以聽到頻率很高的嗡嗡聲。經(jīng)排查，聲音由溫度變送器套管（溫變套管直接焊接在工藝管線上，有別于法蘭式溫度套管）發(fā)出，現(xiàn)場觸摸溫變套管，可以感覺得明顯的振動;通過降低流速，現(xiàn)場觸摸確認振動逐漸減小。在后期轉(zhuǎn)供期間進行專項測試，當工況流量達到5000方時，開始有手感振動，但無聲音表現(xiàn);隨著流量增加，振動逐漸升高;當達到8000方時，振動以大幅手感振動和聲音方式表現(xiàn)。查閱流量計檢定證書，流量計最高工作范圍是在工況8000方以上。為避免溫度計套管的振動影響，必須對流量計進行降低流量運行。

2016年4月13日，中貴線中衛(wèi)首站區(qū)超聲波計量撬第四路流量計FI040401下游直管段溫度計凸臺與法蘭焊縫處發(fā)生天然氣泄漏;與泄漏處相鄰的第三路流量計FI040301下游直管段溫度計凸臺與法蘭焊縫處，也曾于2015年4月2日發(fā)生過天然氣泄漏。調(diào)查人員現(xiàn)場查看計量撬的運行情況，發(fā)現(xiàn)計量撬只開啟一路計量回路時，溫度變送器、溫度計法蘭處有明顯的振動，在相近流量時，同時開啟二路計量回路，發(fā)現(xiàn)溫度變送器、溫度計法蘭處振動輕微，與吉安站測試結(jié)果一致。破壞結(jié)論認定為“溫度計 1寸凸臺與法蘭焊接處發(fā)生泄漏是由于疲勞裂紋所致，在工作內(nèi)壓及振動載荷共同作用下，疲勞裂紋在焊縫錯邊處萌生并逐步擴展，最終導致泄漏”。

根據(jù)現(xiàn)場的現(xiàn)象判斷，當套管作為懸伸較長的懸臂梁，其剛性較差，很容易受到擾動產(chǎn)生振動，特別是擾動源是具有一定脈動性質(zhì)的壓縮天然氣時，振動更易發(fā)生。從圖示結(jié)構(gòu)上可見，連接短節(jié)焊接部位的幾何尺寸最小，有效承載截面模量最低。當頭部有振動時，受到應力最大處是焊縫處，當這種振動持續(xù)存在時，造成焊縫疲勞開裂。

3主要研究內(nèi)容

溫度計套管的設(shè)計應考慮兩方面因素：一是要有良好的機械特性，能耐受流體的動態(tài)沖擊、穩(wěn)態(tài)沖擊和靜態(tài)壓力;二是要有良好的熱特性，使安裝在其中的測溫元件與過程流體盡快達到熱平衡。在高速流體下，采用金屬套管，盡量減小套管內(nèi)孔直徑和壁厚，保證足夠的插入長度，則測溫元件與過程流體會迅速達到熱平衡。但在高速流體下，套管是否具有足夠高的機械強度以抵御流體的沖擊，需經(jīng)嚴格計算和判斷。對一個固定材質(zhì)的套管，具有足夠高的固有頻率和產(chǎn)生足夠低的彎曲應力，對避免共振、抵御流體沖擊是有利的。選擇合適的套管形狀和恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，使套管免于共振，并在實際工況下可以安全使用。

2010年 2月頒布的ASME PTC19.3 TW-2010推薦了錐形、直形和階梯形 3種形式。 在工藝流體的作用下，浸沒在流體中的套管由于漩渦脫落會產(chǎn)生振動，當振動頻率接近套管的固有頻率時，則可能發(fā)生共振，導致流體作用在套管上的應力超過套管的承受極限而使套管折斷，產(chǎn)生泄漏，并使插在套管內(nèi)的溫度檢測元件損壞，影響溫度測量，甚至發(fā)生事故。

本論文提出了一款翼型溫度計套管以減小卡門渦街的影響，然后通過3D建模對翼型套管進行可行性分析，確定翼型套管形狀及大小。如下圖所示：

翼型溫度計套管

具體步驟如下：

（1）定性地使用流體力學軟件，采用2D模型模擬，分析圓柱形溫度計套管和翼型溫度套管在不同流速下的瞬態(tài)流態(tài)狀況。目的：判斷外形改變后，同樣流量下流態(tài)是否可以得到緩解。

（2）使用3D模型，模擬驗證分析圓柱形溫度計套管和翼型溫度套管的流態(tài)情況，與2D模型進行對比，如果結(jié)果一致，可以使用2D模擬進行更多的驗證，減小計算耗時。

（3）使用3D模型模擬圓柱形溫度計套管在不同的插入深度情況下的流態(tài)情況，掌握套管在不同的位置的受力情況。

（4）在數(shù)值模擬得到一定的有效性后，機械加工一套法蘭式溫度套管，找到一個有效的流量計場所進行實戰(zhàn)測試對比。

4預期應用前景

翼型溫度計套管預計可有效減少卡門渦街效應，防止溫度計凸臺產(chǎn)生疲勞裂紋，此溫度計套管可安裝在易發(fā)生振動的大口徑的流量計中。也可代替原有的溫度計套管使用在需要溫度計套管的各個場合。

參考文獻：

[1]洪定一.聚丙烯——原 理 、工藝與技術(shù).北京 ：中 國 石化 出版 社 ，2002