天然氣壓縮機出口耐振測溫元件的選用

周宇博，宋江濤，邢通

(中國石油工程建設有限公司，北京 100101)

在天然氣、石油化工、發電等依賴大型渦輪、壓縮機等作為關鍵設備應用的行業中，轉動設備在工作時產生振動，這是正常的，大多數測量儀器都能承受一定的振動，但是，當振動過大時，高振動會削弱溫度傳感器的接線的牢固和絕緣性能，導致間歇性和/或不正確的測量。極端的振動也會縮短溫度傳感器的壽命，這意味著頻繁的停機時間和更高的運行成本。

1 溫度計耐振原理

振動對溫度傳感器的主要影響是機械應力。在熱電偶溫度計中，振動會引起材料疲勞，進而導致絕緣失效和短路造成的測量不準確或間歇性讀數。對于工業電阻溫度計，繞制的RTDs鉑絲非常細，易受振動而斷裂。損壞的RTDs會在輸出信號中產生噪聲，給出不規則的溫度測量值，最終斷開電路，因此應避免在有機械震動的場合使用[1]。但由于熱電阻精度高，使用穩定，響應速度快等優勢，再加上儀表廠商針對振動采用了一些解決辦法，使得熱電阻是目前工業遠程溫度測量的首選方案。

振動的來源有很多，當發動機、泵和壓縮機等轉動設備工作時會產生機械振動。發動機和透平機等在運行過程中也會產生聲波振動，聲波傳遞到熱電偶或電阻溫度計時，會轉化為結構振動。流體介質的流動也是結構振動的一個來源，流體流經溫度計套管時，后部會產生湍流尾流(卡曼旋渦)，當尾流的振動頻率接近套管的固有頻率時，會產生共振損壞溫度元件[2]。

振動對于溫度計的影響反映在兩個方面： 一是振動幅度，表現為作用于物體上的力；二是振動頻率，表現為受振物體前后運動的速率。目前多數制造商通過改進感溫元件的材質，增加金屬包裹或者彈簧負載等方法來提升感溫元件的抗振能力。對于振動的計量，不用力或位移來描述，而是使用重力加速度g來描述振幅，1g=9.8 m/s2。市面上的標準溫度計產品的耐振加速度大多為3g，高的可達到60g。IEC 60751《工業鉑熱電阻及鉑感溫元件》中對于耐振溫度元件的測試也提出了檢測要求，試驗應在溫度計使用工況下進行。熱電阻應經受振動頻率為10 Hz～500 Hz，強制加速度為20 m/s2～30 m/s2的振動。掃頻速率為每分鐘1倍頻程，掃頻總時間為150 h。振動應作用于溫度計的軸向和橫向上分別施加振動，每個方向的持續時間為總時間的50%，應記錄所有諧振點的頻率和狀態，僅限于基波，并持續監視電連續性[3]。

2 應 用

某天然氣站場采用3臺12 MW的壓縮機將天然氣增壓后輸送到下游系統。氣體壓縮方式選擇串聯和并聯兩種模式，串聯模式下是兩級壓縮，最高操作壓力達到10 MPa。為了保護壓縮機，防止壓縮機出口溫度過高，在每一級壓縮的出口設置了3臺溫度變送器，當溫度過高時，采取“2oo3”停機保護。壓縮機出口溫度監測如圖1所示。

圖1 壓縮機出口溫度監測示意

在機組系統12 h性能測試過程中，壓縮機在串聯模式下運行，壓縮機二級出口先后發生了TIT-02A，TIT-02B溫度傳感器故障，造成壓縮機兩次聯鎖停車無法繼續測試；在并聯模式下運行，同樣再次發生了TIT-02A溫度傳感器故障而造成壓縮機再次聯鎖停機。一般情況下，共振是造成熱電偶套管斷裂的主要原因[4]，先考慮為流體共振造成的測溫元件損壞。

(1)

式中：fa——套管近似固有頻率；Hf——細長梁理論偏差修正系數；Ha， f——流體質量修正系數；Ha， s——感溫元件質量修正系數；Hc——套管的安裝彈性修正系數。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Da——套管的平均外徑，為0.018 m；E——操作溫度下的彈性模量，1.89×1011Pa；ρm——材質在常溫下的密度，8×103kg/m3；ρ——介質密度，為0.72 kg/m3；ρs——插入溫度計套管的感溫元件的平均密度2.7×103kg/m3；d——套管內徑，為0.012 m；A——套管根部的外部直徑，為0.018 m；L——套管的插入深度，為0.15 m；b—套管根部的圓角半徑，為0.001 m；

(7)

式中：v——工藝介質流速，m/s；Ns——斯特勞哈爾常數，取0.22。

然而在壓縮機72 h性能測試過程中，相同的問題再次發生，當時壓縮機提速到9.5×103r/min運行時，TIT-02B溫度傳感器再次出現故障造成聯鎖停機。檢查發現溫度計電阻內部開路，為了解決傳感器故障問題，項目組對上述溫度計所處位置進行24 h振動測試，串、并聯兩種模式下振動監測數據見表1，表2所列。

表1 串聯模式振動監測數據 μm

表2 并聯模式振動監測數據

由表1，表2可見，在串聯模式下隨著轉速的增加，振動的幅度也在增加。在最高轉速9.5×103r/min的工況下，振動幅度達到了2 524 μm。在并聯運行6.6×103r/min的工況下，振幅過高。

振動的測算可用式(8)和式(9)：

f=n/60

(8)

a=(2πf)2d′

(9)

式中：a——加速度，m/s2；f——頻率，HZ；d′——振幅，μm。頻率極端情況下，加速度超過60g。

解決方案是更換分體式安裝的增強型耐振溫度計，減輕溫度計套管的負擔，同時縮短溫度計套管插入深度，重新進行套管使用限制條件的評估[7]。根據API 551—1993《過程測量儀表》[8]，最短的插入深度是距離管壁上沿5.08 cm(2 in)，更換后最終問題得以解決。

3 結束語

管道的振動不可避免，該項目的溫度計用于聯鎖停機，一旦故障隨即停機，是一種事故安全型的保護，雖然沒有發生危害卻也影響了機組性能測試，一定程度上影響工期。對于應用在關鍵回路上的溫度計，耐振解決方案[9]應參照以下幾個方面：

1)在總圖布置及管道應力分析的基礎上，盡量減小溫度監測點的振動，避免共振的發生。

2)縮短保護管的長度。

3)盡量在轉動設備出口處選用耐振溫度計。

4)在振動無法避免的場合，盡量選用分體式的溫度計。