天然气压缩机出口耐振测温元件的选用

周宇博，宋江涛，邢通

(中国石油工程建设有限公司，北京 100101)

在天然气、石油化工、发电等依赖大型涡轮、压缩机等作为关键设备应用的行业中，转动设备在工作时产生振动，这是正常的，大多数测量仪器都能承受一定的振动，但是，当振动过大时，高振动会削弱温度传感器的接线的牢固和绝缘性能，导致间歇性和/或不正确的测量。极端的振动也会缩短温度传感器的寿命，这意味着频繁的停机时间和更高的运行成本。

1 温度计耐振原理

振动对温度传感器的主要影响是机械应力。在热电偶温度计中，振动会引起材料疲劳，进而导致绝缘失效和短路造成的测量不准确或间歇性读数。对于工业电阻温度计，绕制的RTDs铂丝非常细，易受振动而断裂。损坏的RTDs会在输出信号中产生噪声，给出不规则的温度测量值，最终断开电路，因此应避免在有机械震动的场合使用[1]。但由于热电阻精度高，使用稳定，响应速度快等优势，再加上仪表厂商针对振动采用了一些解决办法，使得热电阻是目前工业远程温度测量的首选方案。

振动的来源有很多，当发动机、泵和压缩机等转动设备工作时会产生机械振动。发动机和透平机等在运行过程中也会产生声波振动，声波传递到热电偶或电阻温度计时，会转化为结构振动。流体介质的流动也是结构振动的一个来源，流体流经温度计套管时，后部会产生湍流尾流(卡曼旋涡)，当尾流的振动频率接近套管的固有频率时，会产生共振损坏温度元件[2]。

振动对于温度计的影响反映在两个方面： 一是振动幅度，表现为作用于物体上的力；二是振动频率，表现为受振物体前后运动的速率。目前多数制造商通过改进感温元件的材质，增加金属包裹或者弹簧负载等方法来提升感温元件的抗振能力。对于振动的计量，不用力或位移来描述，而是使用重力加速度g来描述振幅，1g=9.8 m/s2。市面上的标准温度计产品的耐振加速度大多为3g，高的可达到60g。IEC 60751《工业铂热电阻及铂感温元件》中对于耐振温度元件的测试也提出了检测要求，试验应在温度计使用工况下进行。热电阻应经受振动频率为10 Hz～500 Hz，强制加速度为20 m/s2～30 m/s2的振动。扫频速率为每分钟1倍频程，扫频总时间为150 h。振动应作用于温度计的轴向和横向上分别施加振动，每个方向的持续时间为总时间的50%，应记录所有谐振点的频率和状态，仅限于基波，并持续监视电连续性[3]。

2 应 用

某天然气站场采用3台12 MW的压缩机将天然气增压后输送到下游系统。气体压缩方式选择串联和并联两种模式，串联模式下是两级压缩，最高操作压力达到10 MPa。为了保护压缩机，防止压缩机出口温度过高，在每一级压缩的出口设置了3台温度变送器，当温度过高时，采取“2oo3”停机保护。压缩机出口温度监测如图1所示。

图1 压缩机出口温度监测示意

在机组系统12 h性能测试过程中，压缩机在串联模式下运行，压缩机二级出口先后发生了TIT-02A，TIT-02B温度传感器故障，造成压缩机两次联锁停车无法继续测试；在并联模式下运行，同样再次发生了TIT-02A温度传感器故障而造成压缩机再次联锁停机。一般情况下，共振是造成热电偶套管断裂的主要原因[4]，先考虑为流体共振造成的测温元件损坏。

(1)

式中：fa——套管近似固有频率；Hf——细长梁理论偏差修正系数；Ha， f——流体质量修正系数；Ha， s——感温元件质量修正系数；Hc——套管的安装弹性修正系数。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Da——套管的平均外径，为0.018 m；E——操作温度下的弹性模量，1.89×1011Pa；ρm——材质在常温下的密度，8×103kg/m3；ρ——介质密度，为0.72 kg/m3；ρs——插入温度计套管的感温元件的平均密度2.7×103kg/m3；d——套管内径，为0.012 m；A——套管根部的外部直径，为0.018 m；L——套管的插入深度，为0.15 m；b—套管根部的圆角半径，为0.001 m；

(7)

式中：v——工艺介质流速，m/s；Ns——斯特劳哈尔常数，取0.22。

然而在压缩机72 h性能测试过程中，相同的问题再次发生，当时压缩机提速到9.5×103r/min运行时，TIT-02B温度传感器再次出现故障造成联锁停机。检查发现温度计电阻内部开路，为了解决传感器故障问题，项目组对上述温度计所处位置进行24 h振动测试，串、并联两种模式下振动监测数据见表1，表2所列。

表1 串联模式振动监测数据 μm

表2 并联模式振动监测数据

由表1，表2可见，在串联模式下随着转速的增加，振动的幅度也在增加。在最高转速9.5×103r/min的工况下，振动幅度达到了2 524 μm。在并联运行6.6×103r/min的工况下，振幅过高。

振动的测算可用式(8)和式(9)：

f=n/60

(8)

a=(2πf)2d′

(9)

式中：a——加速度，m/s2；f——频率，HZ；d′——振幅，μm。频率极端情况下，加速度超过60g。

解决方案是更换分体式安装的增强型耐振温度计，减轻温度计套管的负担，同时缩短温度计套管插入深度，重新进行套管使用限制条件的评估[7]。根据API 551—1993《过程测量仪表》[8]，最短的插入深度是距离管壁上沿5.08 cm(2 in)，更换后最终问题得以解决。

3 结束语

管道的振动不可避免，该项目的温度计用于联锁停机，一旦故障随即停机，是一种事故安全型的保护，虽然没有发生危害却也影响了机组性能测试，一定程度上影响工期。对于应用在关键回路上的温度计，耐振解决方案[9]应参照以下几个方面：

1)在总图布置及管道应力分析的基础上，尽量减小温度监测点的振动，避免共振的发生。

2)缩短保护管的长度。

3)尽量在转动设备出口处选用耐振温度计。

4)在振动无法避免的场合，尽量选用分体式的温度计。