插入式温度计套管的选型设计研究

2022-03-04顿张静赵展铭刘富鹏马国印

仪器仪表用户 2022年3期

顿张静，赵展铭，刘富鹏，马国印，陈健

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

在LNG接收站中，温度是一种非常重要的过程监测及控制联锁参数，管道设备的安全运行、工厂生产的稳定运营都离不开对温度的测量控制[1]。在不同测量方式中，按照温度元件是否与被测介质接触，可分为接触式和非接触式两类。在非接触式温度计中，插入式温度计的应用最为广泛。插入式温度计将温度元件插入到套管中，再将套管插入管道或设备中，一方面它可以有效保护温度元件免受腐蚀和高速流体的影响，另一方面可在工艺不停车的情况下对仪表进行检修及检验。根据ASME PTC 19.3 TW-2016[2]，对套管的设计、材料属性、可接受的振动频率、稳态动态应力进行了说明。基于此，文献[3-9]对于套管共振的问题，对振动频率和应力符合性进行了计算和评估，并提出一定的建议。

在LNG接收站工程中，插入式温度计在卸料及外输管线、气化器海水入口及天然气出口、压缩机出入口、储罐BOG外输管线等位置均有布置，被测介质涉及LNG、NG、海水、空气等流体。温度计套管长时间浸没在这些流体中，一旦流体中存在氧或腐蚀性介质，会对温度计套管产生不同程度的腐蚀，进而影响温度计的测量精度和使用寿命。因此，为安全、稳定地监测接收站中各管道设备的温度，对温度计套管的合理选型至关重要。

1 温度计套管测温原理

插入式温度计的测温原理类似于管状肋导热问题，可根据传热学进行计算。由于温度元件与套管顶端接触，可认为温度元件的读数就是套管顶端的壁面温度，被测介质向套管外表面进行对流传热，而套管一方面向根部导热，另一方面通过辐射传热给温度元件，因此套管的壁面温度必然低于被测介质的实际温度，两者的误差为：

式中：h为套管外表面传热系数；λ为管材导热系数；δ为套管壁厚；H为套管高度。

2 温度计套管类型

目前，LNG接收站中应用的温度计套管类型主要为整体钻孔型套管，整体钻孔型套管又包括了锥形保护套管、直形保护套管和阶梯保护型套管3种类型。其中，若被测介质流速较高，压力较高，振动频率相对较低，同时对温度计套管具有高强度要求时，应优先选用锥形保护套管。较直形保护套管相比，锥形保护套管提供了更好的强度和更快的温度响应，锥形保护套管结构示意图如图1。

图1 锥形套管结构示意图Fig.1 Schematic diagram of tapered shank

当被测介质流速较高，压力较高，且锥形保护套管无法通过振动频率计算时，宜选用直形保护套管，直形保护套管结构图如图2。

图2 直形套管结构示意图Fig.2 Schematic diagram of straight shank

对于要求减小阻力或减小热响应时间的场合，可选用阶梯形整体钻孔保护套管，如图3。在LNG接收站中，锥形保护套管与直形保护套管最为常见，温度计套管的最终选型应根据生产厂家提供的套管振动频率计算书决定。

图3 阶梯形套管结构示意图Fig.3 Schematic diagram of stepped shank

除以上3种套管类型，目前还有其他形式的套管结构，如涡街套管。该形式可有效降低涡激振动带来的影响，减缓疲劳，无需太大的壁厚。

图5 焊接连接示意图Fig.5 Sleeve diagram of welding connection

3 温度计套管连接方式

温度计套管的连接方式主要包括法兰连接、螺纹连接和焊接3种方式。

3.1 法兰连接

法兰连接是将两个管件或器材，先各自固定在一个法兰盘上，并在两个法兰盘之间加上法兰垫片，通过螺栓紧固在一起完成连接。在实际应用中，法兰连接不仅拥有较高的耐压性和密封性，而且相比于其他连接方式更易安装和拆卸，方便设备的维护检修。因此，在LNG接收站中，温度计套管的过程连接方式首选法兰连接。压力等级和法兰规格应符合配管材料等级规定，法兰规格通常选用ASME B16.5，1-1/2”，RF。对于LNG低温工况，若压力等级≥900LB时，套管采用锻件整体钻孔1-1/2”对焊；若压力等级≤600LB时，套管采用锻件整体钻孔1”对焊。图4为法兰连接套管示意图。

图4 法兰连接套管示意图Fig.4 Sleeve diagram of flange connection

3.2 螺纹连接

螺纹连接是利用连接件的螺纹部分将被连接件连成一体的可拆卸连接方式，螺纹连接在小管径、低压力时加工方便，成本低，便于安装，但是在连接尺寸较大、压力较高等场合下，其连接可靠性与法兰连接方式相比较差。对于用非危险介质（如水、空气、氮气等）的低压管道（CL150或以下）可采用螺纹连接。因此，在LNG接收站中很少用到螺纹连接的套管。

3.3 焊接

焊接是一种密封性最好、可靠性最高的连接方式，在施工合格的前提下，基本可以保证零泄漏。但是天然气属于易燃易爆的危险介质，焊接连接的温度计套管一旦发生问题（腐蚀、断裂等），更换、维修的过程中需工厂停车、吹扫，再进行切割、焊接等动火作业，给工厂带来经济损失以及极大的安全隐患。除非当配管材料等级规定不允许采用法兰连接时，采用承插焊连接。因此，在LNG接收站中温度计套管不推荐使用焊接方式。

此外，套管还可以分为组装式和整体式两种类型。组装式套管由管材制成，末端采用固体焊接封闭；整体式套管则是由棒材加工而成。

4 温度计套管规格

根据规范[10]要求，温度计套管的插入深度应保证温度元件的端点位于被测介质温度变化的灵敏区域。在管道内安装时，插入深度宜位于管道直径的1/3～1/2处，并且应至少插入管道内50mm。通常情况下，接收站套管长度最长不应超过400mm，套管长度应与配套的测温元件相匹配。套管插入长度的选择应按以下插入长度考虑，以便减少测量元件的规格，增加互换性：200mm，240mm，280mm，320mm，360mm，400mm；对于介质流速较高的场合，特别是较高的气体介质，应避免因选择过长的插入长度，以免振动损坏套管。而对于管道来说，套管安装的最小管道公称直径为4”。当管道直径小于4”时，需将该管道扩大至4”。

另外，用于强腐蚀性介质的温度计算套管应采用加厚管壁。用于TC、RTD及双金属温度计时，孔径不应小于φ6.5mm；用于压力式温度计时，孔径不应小于φ10mm；但当温度计管嘴内壁衬胶或带有防腐涂层时，其有效内径应大于温度计套管根部外径至少2mm。而套管外径通常为φ22/φ16mm，此部分需制造商通过计算最终确定。另外，套管的应力计算应由制造商根据流体流速、套管挠度及支撑等核算，从而为套管设计提供支持。

5 温度计套管材质选型

在实际应用中，受被测介质本身的化学属性影响，温度计套管的材质很大程度上决定了温度计套管的使用寿命。在选择温度计套管材质时，应充分考虑温度测量范围以及防腐蚀、防磨蚀等要求。本文参考了SH/T 3005规范，并结合了某LNG项目实际应用经验，对材质的选用问题进行了探讨。常用的温度计套管材质见表1。

表1 温度计套管材质选择表Table 1 Thermometer sleeve material selection

在LNG接收站项目中，温度计套管材质选择主要为316/316L不锈钢、蒙乃尔合金、哈氏合金3类。其中，316/316L不锈钢的应用最为范围广，对于低温LNG、NG等低腐蚀性流体，套管均可选用316/316L不锈钢。另外，316/316L不锈钢虽然具有一定的耐腐蚀性，但是在高盐高腐蚀性介质下，例如海水，其使用效果并不理想，还是可能出现腐蚀从而影响测量精度。因此，建议使用蒙乃尔合金或哈氏合金，从而确保温度计能够正常运行。

根据以上设计经验，在选用温度计套管材质时，应充分考虑被测介质的物理及化学性质，避免因为材质选择不当导致温度计损坏。