温度仪表保护套管性能计算浅析

王凯卫，龚达乐

(中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085)

温度仪表保护套管(以下简称“套管”)在工业中应用广泛，起到阻隔温度检测元件和工艺介质的作用，对工艺装置的安全至关重要，其故障可能会造成整个工艺装置的事故。1995年日本某核电站发生了一次严重的事故，事故原因最终指向了套管的断裂，而造成断裂的原因是与流向平行方向的套管振动。该种类型的振动在ASME PTC 19.3 TW—1974版本中并未考虑，正是在该事故后，ASME将该规范升级为2016版，并在规范中增加了与流向平行方向的振动分析。因此，在工程设计中，对套管的性能进行严格的计算以保证套管的可靠工作至关重要。

1 套管在流体中的受力分析及性能计算

在流体中，套管可近似看做1只圆柱体插入工艺管道中，从受力结构来看可认为是1只悬臂梁。套管受到流体沿着流速方向的均布荷载，由于套管对流体的阻挡作用，在套管背面的两侧交替产生旋涡，且在脱离后形成旋涡尾流现象，即卡曼涡街。卡曼涡街的旋涡以一定的频率产生、脱离和逸散，圆柱体两侧的压强也以相同的频率发生周期性变化，当旋涡脱落频率等于套管某类自振频率时，圆柱体就会发生剧烈的振动进而造成套管断裂。套管所受到的力可分为三部分： 与流向平行方向力的静态分量FD，与流向平行方向力的动态分量Fd，与流向垂直方向的力Fi，套管受力情况如图1所示。

图1 温度仪表保护套管受力情况示意

当流体流经套管时，涡街脱离将在套管上产生以下2种周期性变化的力：

1)与流向垂直方向的力，变化频率等于涡街脱离的频率fs。

2)与流向平行方向的力，变化频率等于涡街脱离的频率fs的2倍。

图2 温度仪表保护套管的振动频率与流速间的关系示意

2 套管性能计算中的注意事项

按照ASME PTC 19.3 TW—2016的要求，套管应当符合以下几个方面的要求才能通过性能计算： 频率。自振频率应当足够大，以确保套管不会发生谐振而损坏；动态应力。由旋涡脱离所产生的2个周期性变化的力作用于套管上的最大主应力，即最大主动态应力应当小于套管的许用疲劳应力；稳态应力。由于流体的流速作用于套管上的最大稳态应力应当小于套管的允许应力；耐压能力。套管各部分包括端部、杆部及法兰的压力等级应当小于套管所承受的外压。

以上4方面的计算过程在ASME PTC 19.3 TW—2016中有详细的描述，该处不再赘述。以下仅阐述常规套管计算过程中的误区和容易忽视的细节。

2.1 流体最大流速的选择

套管强度计算中流体最大流速的选择应慎重，必须考虑所有工况条件，包括： 装置开车、装置停车、工艺装置运行波动、压力泄放等情况。假如在稳态工况下套管的自振频率并不接近某一旋涡脱离的频率而仅在某些非稳态情况下接近某旋涡脱离的频率，也有可能在短期的非稳态情况下造成套管剧烈的振动，进而造成损坏。

2.2 低流速工况

在极低的流速情况下，由于所受的力很小，套管发生机械损坏的可能性几乎可以不需要考虑。因此，在满足以下条件的情况下可不计算套管的振动：

1)流体的最大流速低于0.64 m/s。

2)温度仪表保护套管尺寸满足以下条件： (A-d)≥9.55 mm;L≤0.61 m;A≥B≥12.7 mm。

3)套管的材质的S≥69 MPa且Sf≥21 MPa。

4)套管在操作运行中不会发生腐蚀或者脆变。

其中A——套管在支撑点的外径；d——套管内部的孔径；L——套管的未支撑部分的长度，一般是指套管端部到支撑面的距离；S——最大许用应力；Sf——在高频振动情况下疲劳应力限值。需注意的是，在保护套管满足以上要求时，仍然需要计算耐压能力。

2.3 脉冲流的影响

由于ASME PTC-19.3 TW—2016中仅考虑了稳态流体，并未考虑脉冲流。如果流体的流速以接近套管自振频率的频率变化时，也有可能引起套管的共振。例如在接近离心泵后出口的位置等脉冲流态中运行，可能会导致套管的机械损坏。因此必须注意： 套管应当尽量远离导致流体产生脉冲的源头。

2.4 湍流流体工况

在湍流流体中，管道中心与管壁间的温度差可以忽略不计，因此将套管长度变短，所产生的温度计精度变化可以忽略不计。因此在湍流流态的管道中，可尽量降低插入深度，以降低套管的振动和作用于套管上的力。

2.5 谐振区

经计算，如果Strouhal频率处于与流向平行方向的谐振区和与流向垂直方向的谐振区之间，且在满足以下条件的情况下，计算结果可接受：

1)流体为气态。

2)流体仅在非正常工况下穿越与流向平行方向的谐振区，如装置开车、停车或者其他非常规操作。

3)谐振峰值下作用于套管上的应力小于材料的疲劳应力。

4)套管的机械断裂故障风险是可以接受的。

2.6 安装于弯头处的套管的计算

弯头处安装套管有两种方式： 端部顺流体方向和端部指向流体方向。

ASME PTC 19.3 TW—2016中并未对该安装方式给出指导性的计算方法。该规范中说明可参照垂直安装套管的方法计算，但是由于该计算方法过于保守，且该种安装方式可用于在常规设计中套管接近自振频率的情况的备选方案，因此该规范认可针对该安装方式使用计算机动态模型计算或者实验的方法，以确定流体的流态进而确定套管上所受的力。

ASME PTC-19.3 TW—2016中推荐采用端部指向流体方向的安装方式，原因是流体在通过弯头后将形成漩涡。如果采用端部顺着流体方向的安装方式，该旋涡会通过套管的端部，进而引起端部的振动；而在端部指向流体方向的安装方式的情况下，该旋涡的产生应当是在套管的端部之后，流体在端部基本为层流，因此不会对套管的端部产生影响。

3 非常规套管性能计算的注意事项

3.1 螺旋状套管

部分套管供应商设计了某些非常规的套管形状，通过改变套管的几何形状来降低涡流引起的振动，下面介绍其中一种新型的套管。常规的套管是圆锥形结构，流体流经套管时，会在整个套管的长度范围内形成涡流，进而形成振动。但是某供应商设计了一种新型的螺旋状套管；该设计的优点： 可将连续的旋涡打断，并在流向垂直方向的两侧均匀地产生旋涡，而两侧的旋涡在套管上形成的作用力可抵消，降低的作用力最多可达90%，进而大幅降低了涡流引起的振动。

ASME PTC 19.3 TW—2016中明确说明该种类型的套管不在规范的范围内，因此如果需要采用该种类型的套管，建议要求供应商出具权威第三方机构的认证。

3.2 套管的保护圈

当某些套管计算无法通过的情况下，制造商会推荐采用增加保护圈的方式来降低未支撑部分的长度，结构如图3所示，进而降低自振频率和所受的应力，从而达到通过性能计算的目的。由于套管末端的振幅一般都比较小(小于0.5 mm)，保护圈和管道间的任何间隙都会导致保护圈的失效。因此增加保护圈后，支撑保护圈与管道间必然为刚性的过盈连接，在套管发生振动的情况下，套管会像锤子敲击一样持续不断地在管道上施加作用力，会逐渐造成套管和管道间的间隙扩大，最终可能会造成支管台焊缝的开裂，也可能使套管产生形变，套管所承受的局部应力就会变大，进而造成套管断裂，也可能由于间隙扩大造成保护圈失效，套管自振频率就会增加，进而使套管进入谐振区导致套管损坏。因此，在ASME规范中不推荐采用该安装方式。

图3 套管加装保护圈结构示意

4 结束语

由于套管的计算不当可造成套管的断裂，进而造成重大的生产事故，同时由于国内还没有涉及该问题的规范。因此，建议设计人员应当严格按照ASME PTC 19.3 TW—2016计算套管。同时，建议国内应当尽快就该问题设立自己的强制规范，以防止由套管断裂造成的重大事故的发生。