天然氣門站進站管道溫度計套管斷裂分析

1 概述

深圳市某天然氣門站進站和出站管道上安裝的溫度計套管在1 a內3次發生套管漏氣事故，維修后發現是套管斷裂引起。其中1根套管取出時已處于完全斷裂狀態，見圖1。在相同工藝位置安裝的溫度計套管屢次斷裂，給門站安全運行帶來極大隱患。因此，為避免同樣事件再次發生，需分析套管斷裂的原因，并找到可行的解決方案。

發生斷裂的溫度計套管安裝在DN 600 mm工藝管道上。工藝管道材質為L450，工作溫度為常溫(計算中管道內天然氣溫度取20 ℃)，工作壓力為3.9 MPa。

變指數Herz型Hardy空間上的多線性Calderón-Zygmund算子交換子 趙歡，周疆(10-42)

溫度計套管的安裝見圖2。斷裂的溫度計套管為圓筒形法蘭式整體鉆孔套管，套管材料為0Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼，與管道上焊接的短管通過法蘭連接，套管法蘭面與工藝管道內壁的距離

為130 mm，熱電偶測溫元件底部與套管頂部的距離

為8 mm。套管長度

為381 mm，套管為圓筒形，上下外直徑一致，平均外直徑

為18 mm。套管的根部、頂部見圖2，其外直徑分別用

和

表示，且

、

、

均相等。套管內直徑

為10 mm。

2 套管發生共振的判斷條件

2.1 振動產生的機理和危害

當流體流經溫度計套管時，由于套管對流體的阻滯作用，流體的動量發生改變，在套管后部產生尾流，在尾流內會形成漩渦，漩渦沿著套管兩邊交替地脫落(卡曼渦街現象)。套管受力見圖3。這種交替脫落的漩渦直接作用于套管上，對套管產生2種周期性變化的力，即沿著流體流動方向(

軸方向)的流向力和垂直于流體流動方向(

軸方向)的橫向力。兩種力的共同作用導致套管發生振動，當漩渦脫落頻率

等于套管固有頻率

時，套管就會發生激烈的共振，此時流向力和橫向力急劇增加，套管將被損壞。

2.2 發生共振的判斷條件

美國機械工程師協會標準ASME PTC 19.3 TW-2016《熱電偶套管性能測試準則》中6-8.2和6-8.3給出了漩渦脫落頻率

與套管固有頻率

之間的限制關系和可能產生共振的判斷條件。以下結合本文實例進行闡述。本文中，工況指20 ℃、4.0×10

Pa，標況指20 ℃、1.01×10

Pa。

① 管道內天然氣的工況流速

根據該站的供氣量，可計算進站管道內天然氣的工況流速，計算式為：

(1)

式中

——管道內天然氣工況流速，m/s

——管道內直徑，m

——天然氣的標況流量，m

/h

記者：當聽到“把工作做成風景”的話題時，我有意上“百度”去搜索，竟然沒有類似角度。請問忻州是怎樣考慮將“風景”概念引入到工作策劃上面的？

——工況下天然氣密度，kg/m

，取30.60 kg/m

——天然氣的工況壓縮因子

——天然氣的標況壓縮因子

——工況溫度，℃

——標況溫度，℃

對數據進行處理，統計學軟件則使用SPPSS25.0，其中計數資料運用（%）進行表示，以卡方檢驗進行檢驗；計量數據運用（±s）的方式進行表示，以t檢驗進行檢驗，若所得出的P值小于0.05，視為研究具有統計學意義，反之則代表無統計學意義。

根據天然氣組成、溫度、壓力，得出

為0.935，

約等于1。

在此次研究中,選擇了SPSS 22.0的統計學軟件展開數據分析、歸檔處理。對于計數資料的表示為%,以χ2檢驗;對于計量資料的表示則為(±s),使用T進行檢驗,當兩組的數據存在差異的時候,且P<0.05則表示有可比性。

② 質量阻尼系數

溫度計套管本身的阻尼特性可以起到抑制振動的作用，質量阻尼系數

的計算式為：

(2)

式中

——質量阻尼系數

——套管本身阻尼系數，根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-8.2，應保守地設為0.000 5

——套管的密度，kg/m

，取8 000 kg/m

——天然氣的工況絕對壓力，Pa

設脈壓過程中的環境噪聲是功率譜密度為N0/2 W/Hz的高斯白噪聲，輸出噪聲的功率譜密度為(N0/2)·|H0(jω)|2 W/Hz。假設脈壓輸出信號在t=td時刻得到峰值，則多相位分段調制干擾信號經過匹配濾波器后的輸出信號表達式為

——套管內直徑，m

——套管頂部外直徑，m

③ 雷諾數

管道中天然氣的雷諾數

，用套管頂部外直徑

計算，計算式為：

(3)

式中

——雷諾數

——工況下天然氣動力黏度，Pa·s，取1.18×10

Pa·s

通過計算

和

，可判斷在一定的工況條件下，漩渦脫落頻率

與套管固有頻率

需滿足的限制關系。

通過查詢ASME B31.1-2020《動力管道》附錄C表C-1，0Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼在20 ℃下的彈性模量為195 GPa。

式中

——斯特勞哈爾數，與介質的雷諾數

有關，根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-4.1，

可近似取0.22

當2.5<

≤64且

<1.0×10

時，不會產生流向共振，避免橫向共振需滿足下式：

(4)

式中

——漩渦脫落頻率，Hz

畜產品質量安全不僅關系到人民群眾的身體健康和生命安全,更關系到經濟發展和社會穩定,確保畜產品質量安全是當前的一項重大政治任務,我們要以高度的責任態度,強烈的憂患意識和責任感,扎實搞好畜產品質量安全工作。

——套管固有頻率，Hz

式中：Mx、My和Mxy分別為蜂窩夾層結構在x、y向上的彎矩和總扭矩；Qx、Qy為蜂窩夾層結構總的橫向剪切力；w為蜂窩夾層結構的橫向撓度；分別為蜂窩夾芯在x、y方向上的剪切剛度；為上、下面板的彎曲剛度；為蜂窩夾層結構的整體彎曲剛度；φx、φy分別為變形前垂直于夾層結構xoy面的直線變形后在xoz、yoz平面內的廣義位移；μf為上、下面板泊松比。

當

>64且

<1.0×10

時，橫向共振與流向共振都得到抑制，不會產生共振，不需計算套管固有頻率。

當

≤2.5或

≥1.0×10

時，漩渦脫落頻率和套管固有頻率滿足下式即可避免共振。

(5)

3 頻率計算

3.1 漩渦脫落頻率計算

根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-3.7，漩渦脫落頻率

的計算式為：

——標況壓力，Pa

(6)

和

的限制關系和可能產生共振的判斷條件如下

。

3.2 套管固有頻率計算

根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，套管固有頻率

的計算式為：

=

(7)

式中

——套管近似固有頻率，Hz

——細長梁理論偏差系數

——流體質量修正系數

——測溫元件質量修正系數

——套管柔性安裝系數

第四、煉銀老總是銀精轉世說。相傳，上洋村和貢川村在煽煉銀子時，如張彭八和陳龍井親自在場督陣，則出銀便多些，若是離開爐廠，出銀子很少或煉不出來，即使煉出也會不翼而飛。如果張彭八和陳龍井因為各種事情不能親臨現場，也必須把平常煉銀時穿的衣服掛在煉銀現場，否則，煉不出銀子。傳言，某次彭八公因事回故里，匆忙之中忘記留下煉銀時穿的衣服，結果銀子便跟隨其后，行至茶閣底的溪旁，彭八公聽到背后有響動之聲，回首一望，只見一堆銀子掉入溪中，后此溪被人命名為“八寶掉壩”。彭八公的奇行異舉，震驚東洋，成為聲威赫赫的財王爺。

① 計算套管近似固有頻率。根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，套管近似固有頻率

計算公式如下：

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 ℃時的彈性模量，Pa

——套管平均外直徑，m

這一方面的因素對于路基沉降也是比較明顯的，其一般都是出現在我國的北方地區中，南方的晝夜溫差比較大的地區也容易出現這一問題。具體分析，主要就是自然環境中的霜雪、嚴寒以及溫差過大的情況下對于路基產生不良的影響，從而出現沉降問題。比如，氣候比較寒冷的地區中進行路基的建設施工，很多情況下水源會凍結，只要溫度上升，冰雪融化就會導致路基結構內部含水量的提升，承載性能自然會有所下降，路基沉降問題就會出現。這種路基沉降問題通常需要進行施工時間的調整來控制，但是因為高速公路施工周期一般比較長，要想全面消除這一問題難度比較高[2]。

——套管長度，m

④

和

的限制關系

② 根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，直形套管細長梁理論偏差系數

的計算公式為：

(9)

式中

——套管根部外直徑，m

② 增大套管的平均外直徑。根據式(6)和式(7)，

隨

增大而增大，

與

成反比。因此，增大

可以達到增大

、減小

的目的。但是，增大

會影響套管的溫度傳導性，影響溫度計測量的準確性。

(10)

④ 根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，熱電偶測溫元件質量修正系數

計算公式為：

(11)

式中

——插入套管內的熱電偶測溫元件的平均密度，kg/m

ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3規定了熱電偶測溫元件的密度可取2 700 kg/m

。

⑤ 套管柔性安裝系數為：

(12)

4 實例分析

該門站設計流量為80×10

m

/h。進站管道的規格為DN 600 mm，外直徑為610 mm，壁厚為17.5 mm，因此，

為0.575 m。

高壓計量調壓路共4路，單路設計流量20×10

m

/h。目前，該站日供氣量為300×10

～600×10

m

/d，每日的供氣時間為6:00到24:00。高峰小時供氣量近50×10

m

/h，低峰小時供氣量約為20×10

m

/h。其他參數見前文。

考慮到該門站的實際供氣情況，選取標況流量

為25×10

m

/h、40×10

m

/h、60×10

m

/h和80×10

m

/h，代入式(1)～(3)，可計算出進站管道天然氣工況流速和天然氣雷諾數，見表1，質量阻尼系數

為0.89。

從江蘇省醫療衛生資源優化配置實證可知，通過雙層目標優化模型求得的2016年江蘇省現狀年13個地區醫療衛生床位數與注冊醫生數，與現實的數據有差別。配置模型考慮了13個地區的人口、地理、經濟、健康指標等多個公平指標，也考慮了投入與產出的效率指標，求解結果與現實的數據比較，也恰恰說明江蘇省的醫療衛生資源向蘇南、蘇中等經濟發達地區集中，而經濟欠發達地區醫療衛生資源相對欠缺。這也說明江蘇省醫療衛生資源存在配置不平衡現象。兩者之間的數據差，給政府的醫療衛生資源宏觀調控提供了依據[15]。

通過計算，在上述4種供氣工況下，

均大于1.0×10

。根據前文所述，當

≤2.5或

≥1.0×10

時，套管固有頻率需滿足式(5)。將相應參數代入式(6)～(12)，計算結果見表1。通過計算，在上述4種供氣工況下，漩渦脫落頻率

與套管固有頻率

的比值均大于0.4，不符合式(5)，套管長期使用將會發生振動疲勞斷裂。

12月18日，作為兵團國有企業的新疆澳利亞乳業有限公司組織黨員、管理人員和業務員工通過投影收看慶祝改革開放40周年大會實況。

5 改進措施

5.1 避免共振的改進措施

為避免共振現象的產生，要盡量減小

，增大

，從而保證

/

<0.4。根據共振產生的機理以及式(6)和式(7)，一方面，影響

的主要因素有

和

。由于流速

與實際供氣量有關，不可隨意調整。因此，只能通過增大套管頂部外直徑

來減小

。另一方面，影響

的主要因素有

、

、

、

和

。，因此，為避免共振現象的產生，可從套管材料、尺寸等方面尋找對策，增大

，從而保證

/

<0.4。

① 選用其他材質的套管。在相同溫度下，應優先選用彈性模量

較大而密度

較小的材料，綜合考慮材料的溫度傳導性、造價以及工藝介質對套管材質的影響。

③ 根據ASME PTC 19.3 TW-2016中6-5.3，流體質量修正系數

計算公式為：

③ 縮短溫度計套管的長度。根據式(7)、(8)，縮短套管的長度

可以增大

。

④ 增加其他輔助裝置。縮短套管的長度可提高

，但是為保證溫度測量的準確性，套管縮短的長度是有限的。當縮短套管長度仍無法滿足要求時，可增加其他輔助裝置，見圖4。通過焊接的方式在套管和短管之間安裝金屬固定環，固定環的內直徑與套管的外直徑一致，可變相縮短套管長度來增大固有頻率。

5.2 溫度計套管安裝的規范要求

HG/T 20507—2014《自動化儀表選型設計規范》規定，溫度檢測元件浸入深度應符合下列要求：

① 溫度檢測元件浸入深度的選擇應以溫度檢測元件插至被測介質溫度變化靈敏且具有代表性的區域為原則。

② 當溫度檢測元件在滿管流體管道上垂直安裝或與管壁成45°安裝時，溫度檢測元件末端浸入管道內壁長度不應小于50 mm且不宜大于125 mm。

根據以上條款，天然氣在管道內屬于滿管流體，因此，溫度檢測元件浸入管道內壁長度不應小于50 mm且不宜大于125 mm。加上套管法蘭面與工藝管道內壁的距離

和溫度檢測元件底部與套管頂部的距離

，套管長度

需滿足188≤

≤263 mm，而有2次發生斷裂的套管長度

均為381 mm左右。因該門站建設早于2014年，溫度計的安裝符合HG/T 20507—2000《自動化儀表選型設計規定》(已作廢)的安裝要求，已不符合現行標準的要求。

綜上，為避免該位置套管斷裂事件再次發生，根據現行規范要求，可優先考慮縮短套管的長度。當縮短長度仍不能滿足要求時，再考慮增加輔助裝置。

5.3 套管長度L的計算

根據該門站的設計流量，要確保套管不發生疲勞斷裂，套管的長度需滿足供氣量80×10

m

/h時的使用要求。按設計流量80×10

m

/h計算套管長度

在該工況下的最大允許值。

當供氣量為80×10

m

/h時，

為247.06 Hz。根據式(5)和式(7)～(12)，計算得出套管長度

需不大于127 mm。

套管長度應不小于188 mm且小于等于263 mm，才能符合HG/T 20507—2014。因此，當設計流量為80×10

m

/h時，采用目前的安裝方式，套管的長度

無論為多少，均不能同時滿足ASME PTC 19.3 TW-2016和HG/T 20507—2014的要求。

商務英語學科建設的開展路徑依然需要不斷深入和挖掘，通過多重視角的拓展，探索到商務英語學科建設的最佳方式。廣大教師和學者更加需要從教學實踐出發，結合教學工作的實際情況建立商務英語學科體系，完善商務英語學科內容，讓學生真正從該學科中學習到更具實用性的內容，讓學生的理論學習和實踐應用予以完美結合，為學生的更深度探究提供條件，為學生的全面發展奠定良好基礎。

因此，需在套管上安裝輔助裝置。當增加輔助裝置后，只需輔助裝置以下部分的套管長度不大于127 mm，且確保溫度檢測元件末端浸入管道內壁至少50 mm，也就是套管頂部浸入管道內壁至少58 mm即可。

經改進，目前該門站進站和出站管道上安裝的均是有輔助裝置的溫度計套管，套管長度為205 mm，套管輔助裝置以下部分的長度為80 mm。在現運行工況下，該型號的溫度計套管在安裝運行1 a內使用良好，未出現套管斷裂情況。

6 結語

該門站進站、出站管道上安裝的溫度計套管在1 a內3次發生斷裂漏氣事故。分析套管振動機理，參考ASME PTC 19.3 TW-2016《熱電偶套管性能測試準則》，計算漩渦脫落頻率

和套管固有頻率

。結果顯示，套管無法滿足

/

<0.4的限制要求，長期使用會因共振而發生振動疲勞斷裂。經過計算，縮短了套管長度并在溫度計套管上安裝輔助裝置。套管固定頻率計算中，套管長度取套管輔助裝置以下部分的長度，增大了套管固有頻率。改進后的溫度計套管應用后，未出現斷裂現象。

[1] 黃磊. 溫度計套管的頻率限制[J]. 石油化工自動化，2016(2)：54-57.