翼型温度计套管减小卡门涡街效应对套管损坏的研究

何凯云 段麒麟 钟利军 李艳伟 刘亮有

摘要：本论文假定温度计套管的损坏源自于卡门涡街效应，试图将振动和流量的关系向更大的流量范围推移，期望将较大的振动发生在流量计鉴定证书测定最大流量以外的范围，可以保证流量在鉴定范围内正常工作。设想将温度计套管设计成翼型结构，代替圆柱形温度计套管，预期产生的卡门涡街效应受力面会因为尾缘的减小而降低了受力面积，另同样的材料质量下，翼型结构的扭转钢梁更高，可以承受更大的弯曲力。

关键词：温度计套管、翼型、 振动、卡门涡街

1国内外技术现状分析

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中较为常见，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街，如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。

目前国内外对卡门涡街效应有较多的研究，但没有对卡门涡街效应导致天然气输气站场温度计套管产生疲劳应力进行研究。近年来，天然气站场温度计凸台裂缝产生天然气泄漏的事件逐渐增加，天然气对温度计套管产生卡门涡街效应引起振动的问题也随之引起广泛关注。因此，研究天然气输气站温度计套管卡门涡街效应，防止设备产生疲劳应力，這对于维持天然气集输管线的安全运行意义重大。

2生产需求

2016年10月，西气东输吉安站西三线投产过程中，当转供超声波流量计工况流量达到8000方/时，在流量计10米以外可以听到频率很高的嗡嗡声。经排查，声音由温度变送器套管（温变套管直接焊接在工艺管线上，有别于法兰式温度套管）发出，现场触摸温变套管，可以感觉得明显的振动;通过降低流速，现场触摸确认振动逐渐减小。在后期转供期间进行专项测试，当工况流量达到5000方时，开始有手感振动，但无声音表现;随着流量增加，振动逐渐升高;当达到8000方时，振动以大幅手感振动和声音方式表现。查阅流量计检定证书，流量计最高工作范围是在工况8000方以上。为避免温度计套管的振动影响，必须对流量计进行降低流量运行。

2016年4月13日，中贵线中卫首站区超声波计量撬第四路流量计FI040401下游直管段温度计凸台与法兰焊缝处发生天然气泄漏;与泄漏处相邻的第三路流量计FI040301下游直管段温度计凸台与法兰焊缝处，也曾于2015年4月2日发生过天然气泄漏。调查人员现场查看计量撬的运行情况，发现计量撬只开启一路计量回路时，温度变送器、温度计法兰处有明显的振动，在相近流量时，同时开启二路计量回路，发现温度变送器、温度计法兰处振动轻微，与吉安站测试结果一致。破坏结论认定为“温度计 1寸凸台与法兰焊接处发生泄漏是由于疲劳裂纹所致，在工作内压及振动载荷共同作用下，疲劳裂纹在焊缝错边处萌生并逐步扩展，最终导致泄漏”。

根据现场的现象判断，当套管作为悬伸较长的悬臂梁，其刚性较差，很容易受到扰动产生振动，特别是扰动源是具有一定脉动性质的压缩天然气时，振动更易发生。从图示结构上可见，连接短节焊接部位的几何尺寸最小，有效承载截面模量最低。当头部有振动时，受到应力最大处是焊缝处，当这种振动持续存在时，造成焊缝疲劳开裂。

3主要研究内容

温度计套管的设计应考虑两方面因素：一是要有良好的机械特性，能耐受流体的动态冲击、稳态冲击和静态压力;二是要有良好的热特性，使安装在其中的测温元件与过程流体尽快达到热平衡。在高速流体下，采用金属套管，尽量减小套管内孔直径和壁厚，保证足够的插入长度，则测温元件与过程流体会迅速达到热平衡。但在高速流体下，套管是否具有足够高的机械强度以抵御流体的冲击，需经严格计算和判断。对一个固定材质的套管，具有足够高的固有频率和产生足够低的弯曲应力，对避免共振、抵御流体冲击是有利的。选择合适的套管形状和恰当的结构尺寸，使套管免于共振，并在实际工况下可以安全使用。

2010年 2月颁布的ASME PTC19.3 TW-2010推荐了锥形、直形和阶梯形 3种形式。 在工艺流体的作用下，浸没在流体中的套管由于漩涡脱落会产生振动，当振动频率接近套管的固有频率时，则可能发生共振，导致流体作用在套管上的应力超过套管的承受极限而使套管折断，产生泄漏，并使插在套管内的温度检测元件损坏，影响温度测量，甚至发生事故。

本论文提出了一款翼型温度计套管以减小卡门涡街的影响，然后通过3D建模对翼型套管进行可行性分析，确定翼型套管形状及大小。如下图所示：

翼型温度计套管

具体步骤如下：

（1）定性地使用流体力学软件，采用2D模型模拟，分析圆柱形温度计套管和翼型温度套管在不同流速下的瞬态流态状况。目的：判断外形改变后，同样流量下流态是否可以得到缓解。

（2）使用3D模型，模拟验证分析圆柱形温度计套管和翼型温度套管的流态情况，与2D模型进行对比，如果结果一致，可以使用2D模拟进行更多的验证，减小计算耗时。

（3）使用3D模型模拟圆柱形温度计套管在不同的插入深度情况下的流态情况，掌握套管在不同的位置的受力情况。

（4）在数值模拟得到一定的有效性后，机械加工一套法兰式温度套管，找到一个有效的流量计场所进行实战测试对比。

4预期应用前景

翼型温度计套管预计可有效减少卡门涡街效应，防止温度计凸台产生疲劳裂纹，此温度计套管可安装在易发生振动的大口径的流量计中。也可代替原有的温度计套管使用在需要温度计套管的各个场合。

参考文献：

[1]洪定一.聚丙烯——原 理 、工艺与技术.北京 ：中 国 石化 出版 社 ，2002