天然气门站进站管道温度计套管断裂分析

1 概述

深圳市某天然气门站进站和出站管道上安装的温度计套管在1 a内3次发生套管漏气事故，维修后发现是套管断裂引起。其中1根套管取出时已处于完全断裂状态，见图1。在相同工艺位置安装的温度计套管屡次断裂，给门站安全运行带来极大隐患。因此，为避免同样事件再次发生，需分析套管断裂的原因，并找到可行的解决方案。

发生断裂的温度计套管安装在DN 600 mm工艺管道上。工艺管道材质为L450，工作温度为常温(计算中管道内天然气温度取20 ℃)，工作压力为3.9 MPa。

变指数Herz型Hardy空间上的多线性Calderón-Zygmund算子交换子 赵欢，周疆(10-42)

温度计套管的安装见图2。断裂的温度计套管为圆筒形法兰式整体钻孔套管，套管材料为0Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢，与管道上焊接的短管通过法兰连接，套管法兰面与工艺管道内壁的距离

为130 mm，热电偶测温元件底部与套管顶部的距离

为8 mm。套管长度

为381 mm，套管为圆筒形，上下外直径一致，平均外直径

为18 mm。套管的根部、顶部见图2，其外直径分别用

和

表示，且

、

、

均相等。套管内直径

为10 mm。

2 套管发生共振的判断条件

2.1 振动产生的机理和危害

当流体流经温度计套管时，由于套管对流体的阻滞作用，流体的动量发生改变，在套管后部产生尾流，在尾流内会形成漩涡，漩涡沿着套管两边交替地脱落(卡曼涡街现象)。套管受力见图3。这种交替脱落的漩涡直接作用于套管上，对套管产生2种周期性变化的力，即沿着流体流动方向(

轴方向)的流向力和垂直于流体流动方向(

轴方向)的横向力。两种力的共同作用导致套管发生振动，当漩涡脱落频率

等于套管固有频率

时，套管就会发生激烈的共振，此时流向力和横向力急剧增加，套管将被损坏。

2.2 发生共振的判断条件

美国机械工程师协会标准ASME PTC 19.3 TW-2016《热电偶套管性能测试准则》中6-8.2和6-8.3给出了漩涡脱落频率

与套管固有频率

之间的限制关系和可能产生共振的判断条件。以下结合本文实例进行阐述。本文中，工况指20 ℃、4.0×10

Pa，标况指20 ℃、1.01×10

Pa。

① 管道内天然气的工况流速

根据该站的供气量，可计算进站管道内天然气的工况流速，计算式为：

(1)

式中

——管道内天然气工况流速，m/s

——管道内直径，m

——天然气的标况流量，m

/h

记者：当听到“把工作做成风景”的话题时，我有意上“百度”去搜索，竟然没有类似角度。请问忻州是怎样考虑将“风景”概念引入到工作策划上面的？

——工况下天然气密度，kg/m

，取30.60 kg/m

——天然气的工况压缩因子

——天然气的标况压缩因子

——工况温度，℃

——标况温度，℃

对数据进行处理，统计学软件则使用SPPSS25.0，其中计数资料运用（%）进行表示，以卡方检验进行检验；计量数据运用（±s）的方式进行表示，以t检验进行检验，若所得出的P值小于0.05，视为研究具有统计学意义，反之则代表无统计学意义。

根据天然气组成、温度、压力，得出

为0.935，

约等于1。

在此次研究中,选择了SPSS 22.0的统计学软件展开数据分析、归档处理。对于计数资料的表示为%,以χ2检验;对于计量资料的表示则为(±s),使用T进行检验,当两组的数据存在差异的时候,且P<0.05则表示有可比性。

② 质量阻尼系数

温度计套管本身的阻尼特性可以起到抑制振动的作用，质量阻尼系数

的计算式为：

(2)

式中

——质量阻尼系数

——套管本身阻尼系数，根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-8.2，应保守地设为0.000 5

——套管的密度，kg/m

，取8 000 kg/m

——天然气的工况绝对压力，Pa

设脉压过程中的环境噪声是功率谱密度为N0/2 W/Hz的高斯白噪声，输出噪声的功率谱密度为(N0/2)·|H0(jω)|2 W/Hz。假设脉压输出信号在t=td时刻得到峰值，则多相位分段调制干扰信号经过匹配滤波器后的输出信号表达式为

——套管内直径，m

——套管顶部外直径，m

③ 雷诺数

管道中天然气的雷诺数

，用套管顶部外直径

计算，计算式为：

(3)

式中

——雷诺数

——工况下天然气动力黏度，Pa·s，取1.18×10

Pa·s

通过计算

和

，可判断在一定的工况条件下，漩涡脱落频率

与套管固有频率

需满足的限制关系。

通过查询ASME B31.1-2020《动力管道》附录C表C-1，0Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢在20 ℃下的弹性模量为195 GPa。

式中

——斯特劳哈尔数，与介质的雷诺数

有关，根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-4.1，

可近似取0.22

当2.5<

≤64且

<1.0×10

时，不会产生流向共振，避免横向共振需满足下式：

(4)

式中

——漩涡脱落频率，Hz

畜产品质量安全不仅关系到人民群众的身体健康和生命安全,更关系到经济发展和社会稳定,确保畜产品质量安全是当前的一项重大政治任务,我们要以高度的责任态度,强烈的忧患意识和责任感,扎实搞好畜产品质量安全工作。

——套管固有频率，Hz

式中：Mx、My和Mxy分别为蜂窝夹层结构在x、y向上的弯矩和总扭矩；Qx、Qy为蜂窝夹层结构总的横向剪切力；w为蜂窝夹层结构的横向挠度；分别为蜂窝夹芯在x、y方向上的剪切刚度；为上、下面板的弯曲刚度；为蜂窝夹层结构的整体弯曲刚度；φx、φy分别为变形前垂直于夹层结构xoy面的直线变形后在xoz、yoz平面内的广义位移；μf为上、下面板泊松比。

当

>64且

<1.0×10

时，横向共振与流向共振都得到抑制，不会产生共振，不需计算套管固有频率。

当

≤2.5或

≥1.0×10

时，漩涡脱落频率和套管固有频率满足下式即可避免共振。

(5)

3 频率计算

3.1 漩涡脱落频率计算

根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-3.7，漩涡脱落频率

的计算式为：

——标况压力，Pa

(6)

和

的限制关系和可能产生共振的判断条件如下

。

3.2 套管固有频率计算

根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，套管固有频率

的计算式为：

=

(7)

式中

——套管近似固有频率，Hz

——细长梁理论偏差系数

——流体质量修正系数

——测温元件质量修正系数

——套管柔性安装系数

第四、炼银老总是银精转世说。相传，上洋村和贡川村在煽炼银子时，如张彭八和陈龙井亲自在场督阵，则出银便多些，若是离开炉厂，出银子很少或炼不出来，即使炼出也会不翼而飞。如果张彭八和陈龙井因为各种事情不能亲临现场，也必须把平常炼银时穿的衣服挂在炼银现场，否则，炼不出银子。传言，某次彭八公因事回故里，匆忙之中忘记留下炼银时穿的衣服，结果银子便跟随其后，行至茶阁底的溪旁，彭八公听到背后有响动之声，回首一望，只见一堆银子掉入溪中，后此溪被人命名为“八宝掉坝”。彭八公的奇行异举，震惊东洋，成为声威赫赫的财王爷。

① 计算套管近似固有频率。根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，套管近似固有频率

计算公式如下：

Lesions that were located in the colon and at the rectosigmoid junction were defined as “colon”, while lesions in the upper rectum were defined as “rectum”.

(8)

式中

——套管在20 ℃时的弹性模量，Pa

——套管平均外直径，m

这一方面的因素对于路基沉降也是比较明显的，其一般都是出现在我国的北方地区中，南方的昼夜温差比较大的地区也容易出现这一问题。具体分析，主要就是自然环境中的霜雪、严寒以及温差过大的情况下对于路基产生不良的影响，从而出现沉降问题。比如，气候比较寒冷的地区中进行路基的建设施工，很多情况下水源会冻结，只要温度上升，冰雪融化就会导致路基结构内部含水量的提升，承载性能自然会有所下降，路基沉降问题就会出现。这种路基沉降问题通常需要进行施工时间的调整来控制，但是因为高速公路施工周期一般比较长，要想全面消除这一问题难度比较高[2]。

——套管长度，m

④

和

的限制关系

② 根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，直形套管细长梁理论偏差系数

的计算公式为：

(9)

式中

——套管根部外直径，m

② 增大套管的平均外直径。根据式(6)和式(7)，

随

增大而增大，

与

成反比。因此，增大

可以达到增大

、减小

的目的。但是，增大

会影响套管的温度传导性，影响温度计测量的准确性。

(10)

④ 根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，热电偶测温元件质量修正系数

计算公式为：

(11)

式中

——插入套管内的热电偶测温元件的平均密度，kg/m

ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3规定了热电偶测温元件的密度可取2 700 kg/m

。

⑤ 套管柔性安装系数为：

(12)

4 实例分析

该门站设计流量为80×10

m

/h。进站管道的规格为DN 600 mm，外直径为610 mm，壁厚为17.5 mm，因此，

为0.575 m。

高压计量调压路共4路，单路设计流量20×10

m

/h。目前，该站日供气量为300×10

～600×10

m

/d，每日的供气时间为6:00到24:00。高峰小时供气量近50×10

m

/h，低峰小时供气量约为20×10

m

/h。其他参数见前文。

考虑到该门站的实际供气情况，选取标况流量

为25×10

m

/h、40×10

m

/h、60×10

m

/h和80×10

m

/h，代入式(1)～(3)，可计算出进站管道天然气工况流速和天然气雷诺数，见表1，质量阻尼系数

为0.89。

从江苏省医疗卫生资源优化配置实证可知，通过双层目标优化模型求得的2016年江苏省现状年13个地区医疗卫生床位数与注册医生数，与现实的数据有差别。配置模型考虑了13个地区的人口、地理、经济、健康指标等多个公平指标，也考虑了投入与产出的效率指标，求解结果与现实的数据比较，也恰恰说明江苏省的医疗卫生资源向苏南、苏中等经济发达地区集中，而经济欠发达地区医疗卫生资源相对欠缺。这也说明江苏省医疗卫生资源存在配置不平衡现象。两者之间的数据差，给政府的医疗卫生资源宏观调控提供了依据[15]。

通过计算，在上述4种供气工况下，

均大于1.0×10

。根据前文所述，当

≤2.5或

≥1.0×10

时，套管固有频率需满足式(5)。将相应参数代入式(6)～(12)，计算结果见表1。通过计算，在上述4种供气工况下，漩涡脱落频率

与套管固有频率

的比值均大于0.4，不符合式(5)，套管长期使用将会发生振动疲劳断裂。

12月18日，作为兵团国有企业的新疆澳利亚乳业有限公司组织党员、管理人员和业务员工通过投影收看庆祝改革开放40周年大会实况。

5 改进措施

5.1 避免共振的改进措施

为避免共振现象的产生，要尽量减小

，增大

，从而保证

/

<0.4。根据共振产生的机理以及式(6)和式(7)，一方面，影响

的主要因素有

和

。由于流速

与实际供气量有关，不可随意调整。因此，只能通过增大套管顶部外直径

来减小

。另一方面，影响

的主要因素有

、

、

、

和

。，因此，为避免共振现象的产生，可从套管材料、尺寸等方面寻找对策，增大

，从而保证

/

<0.4。

① 选用其他材质的套管。在相同温度下，应优先选用弹性模量

较大而密度

较小的材料，综合考虑材料的温度传导性、造价以及工艺介质对套管材质的影响。

③ 根据ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，流体质量修正系数

计算公式为：

③ 缩短温度计套管的长度。根据式(7)、(8)，缩短套管的长度

可以增大

。

④ 增加其他辅助装置。缩短套管的长度可提高

，但是为保证温度测量的准确性，套管缩短的长度是有限的。当缩短套管长度仍无法满足要求时，可增加其他辅助装置，见图4。通过焊接的方式在套管和短管之间安装金属固定环，固定环的内直径与套管的外直径一致，可变相缩短套管长度来增大固有频率。

5.2 温度计套管安装的规范要求

HG/T 20507—2014《自动化仪表选型设计规范》规定，温度检测元件浸入深度应符合下列要求：

① 温度检测元件浸入深度的选择应以温度检测元件插至被测介质温度变化灵敏且具有代表性的区域为原则。

② 当温度检测元件在满管流体管道上垂直安装或与管壁成45°安装时，温度检测元件末端浸入管道内壁长度不应小于50 mm且不宜大于125 mm。

根据以上条款，天然气在管道内属于满管流体，因此，温度检测元件浸入管道内壁长度不应小于50 mm且不宜大于125 mm。加上套管法兰面与工艺管道内壁的距离

和温度检测元件底部与套管顶部的距离

，套管长度

需满足188≤

≤263 mm，而有2次发生断裂的套管长度

均为381 mm左右。因该门站建设早于2014年，温度计的安装符合HG/T 20507—2000《自动化仪表选型设计规定》(已作废)的安装要求，已不符合现行标准的要求。

综上，为避免该位置套管断裂事件再次发生，根据现行规范要求，可优先考虑缩短套管的长度。当缩短长度仍不能满足要求时，再考虑增加辅助装置。

5.3 套管长度L的计算

根据该门站的设计流量，要确保套管不发生疲劳断裂，套管的长度需满足供气量80×10

m

/h时的使用要求。按设计流量80×10

m

/h计算套管长度

在该工况下的最大允许值。

当供气量为80×10

m

/h时，

为247.06 Hz。根据式(5)和式(7)～(12)，计算得出套管长度

需不大于127 mm。

套管长度应不小于188 mm且小于等于263 mm，才能符合HG/T 20507—2014。因此，当设计流量为80×10

m

/h时，采用目前的安装方式，套管的长度

无论为多少，均不能同时满足ASME PTC 19.3 TW-2016和HG/T 20507—2014的要求。

商务英语学科建设的开展路径依然需要不断深入和挖掘，通过多重视角的拓展，探索到商务英语学科建设的最佳方式。广大教师和学者更加需要从教学实践出发，结合教学工作的实际情况建立商务英语学科体系，完善商务英语学科内容，让学生真正从该学科中学习到更具实用性的内容，让学生的理论学习和实践应用予以完美结合，为学生的更深度探究提供条件，为学生的全面发展奠定良好基础。

因此，需在套管上安装辅助装置。当增加辅助装置后，只需辅助装置以下部分的套管长度不大于127 mm，且确保温度检测元件末端浸入管道内壁至少50 mm，也就是套管顶部浸入管道内壁至少58 mm即可。

经改进，目前该门站进站和出站管道上安装的均是有辅助装置的温度计套管，套管长度为205 mm，套管辅助装置以下部分的长度为80 mm。在现运行工况下，该型号的温度计套管在安装运行1 a内使用良好，未出现套管断裂情况。

6 结语

该门站进站、出站管道上安装的温度计套管在1 a内3次发生断裂漏气事故。分析套管振动机理，参考ASME PTC 19.3 TW-2016《热电偶套管性能测试准则》，计算漩涡脱落频率

和套管固有频率

。结果显示，套管无法满足

/

<0.4的限制要求，长期使用会因共振而发生振动疲劳断裂。经过计算，缩短了套管长度并在温度计套管上安装辅助装置。套管固定频率计算中，套管长度取套管辅助装置以下部分的长度，增大了套管固有频率。改进后的温度计套管应用后，未出现断裂现象。

[1] 黄磊. 温度计套管的频率限制[J]. 石油化工自动化，2016(2)：54-57.