翼型溫度計套管減小卡門渦街效應對套管損壞的研究

何凱云 段麒麟 鐘利軍 李艷偉 劉亮有

摘要：本論文假定溫度計套管的損壞源自于卡門渦街效應，試圖將振動和流量的關系向更大的流量范圍推移，期望將較大的振動發生在流量計鑒定證書測定最大流量以外的范圍，可以保證流量在鑒定范圍內正常工作。設想將溫度計套管設計成翼型結構，代替圓柱形溫度計套管，預期產生的卡門渦街效應受力面會因為尾緣的減小而降低了受力面積，另同樣的材料質量下，翼型結構的扭轉鋼梁更高，可以承受更大的彎曲力。

關鍵詞：溫度計套管、翼型、 振動、卡門渦街

1國內外技術現狀分析

卡門渦街是流體力學中重要的現象，在自然界中較為常見，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街，如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。

目前國內外對卡門渦街效應有較多的研究，但沒有對卡門渦街效應導致天然氣輸氣站場溫度計套管產生疲勞應力進行研究。近年來，天然氣站場溫度計凸臺裂縫產生天然氣泄漏的事件逐漸增加，天然氣對溫度計套管產生卡門渦街效應引起振動的問題也隨之引起廣泛關注。因此，研究天然氣輸氣站溫度計套管卡門渦街效應，防止設備產生疲勞應力，這對于維持天然氣集輸管線的安全運行意義重大。

2生產需求

2016年10月，西氣東輸吉安站西三線投產過程中，當轉供超聲波流量計工況流量達到8000方/時，在流量計10米以外可以聽到頻率很高的嗡嗡聲。經排查，聲音由溫度變送器套管（溫變套管直接焊接在工藝管線上，有別于法蘭式溫度套管）發出，現場觸摸溫變套管，可以感覺得明顯的振動;通過降低流速，現場觸摸確認振動逐漸減小。在后期轉供期間進行專項測試，當工況流量達到5000方時，開始有手感振動，但無聲音表現;隨著流量增加，振動逐漸升高;當達到8000方時，振動以大幅手感振動和聲音方式表現。查閱流量計檢定證書，流量計最高工作范圍是在工況8000方以上。為避免溫度計套管的振動影響，必須對流量計進行降低流量運行。

2016年4月13日，中貴線中衛首站區超聲波計量撬第四路流量計FI040401下游直管段溫度計凸臺與法蘭焊縫處發生天然氣泄漏;與泄漏處相鄰的第三路流量計FI040301下游直管段溫度計凸臺與法蘭焊縫處，也曾于2015年4月2日發生過天然氣泄漏。調查人員現場查看計量撬的運行情況，發現計量撬只開啟一路計量回路時，溫度變送器、溫度計法蘭處有明顯的振動，在相近流量時，同時開啟二路計量回路，發現溫度變送器、溫度計法蘭處振動輕微，與吉安站測試結果一致。破壞結論認定為“溫度計 1寸凸臺與法蘭焊接處發生泄漏是由于疲勞裂紋所致，在工作內壓及振動載荷共同作用下，疲勞裂紋在焊縫錯邊處萌生并逐步擴展，最終導致泄漏”。

根據現場的現象判斷，當套管作為懸伸較長的懸臂梁，其剛性較差，很容易受到擾動產生振動，特別是擾動源是具有一定脈動性質的壓縮天然氣時，振動更易發生。從圖示結構上可見，連接短節焊接部位的幾何尺寸最小，有效承載截面模量最低。當頭部有振動時，受到應力最大處是焊縫處，當這種振動持續存在時，造成焊縫疲勞開裂。

3主要研究內容

溫度計套管的設計應考慮兩方面因素：一是要有良好的機械特性，能耐受流體的動態沖擊、穩態沖擊和靜態壓力;二是要有良好的熱特性，使安裝在其中的測溫元件與過程流體盡快達到熱平衡。在高速流體下，采用金屬套管，盡量減小套管內孔直徑和壁厚，保證足夠的插入長度，則測溫元件與過程流體會迅速達到熱平衡。但在高速流體下，套管是否具有足夠高的機械強度以抵御流體的沖擊，需經嚴格計算和判斷。對一個固定材質的套管，具有足夠高的固有頻率和產生足夠低的彎曲應力，對避免共振、抵御流體沖擊是有利的。選擇合適的套管形狀和恰當的結構尺寸，使套管免于共振，并在實際工況下可以安全使用。

2010年 2月頒布的ASME PTC19.3 TW-2010推薦了錐形、直形和階梯形 3種形式。 在工藝流體的作用下，浸沒在流體中的套管由于漩渦脫落會產生振動，當振動頻率接近套管的固有頻率時，則可能發生共振，導致流體作用在套管上的應力超過套管的承受極限而使套管折斷，產生泄漏，并使插在套管內的溫度檢測元件損壞，影響溫度測量，甚至發生事故。

本論文提出了一款翼型溫度計套管以減小卡門渦街的影響，然后通過3D建模對翼型套管進行可行性分析，確定翼型套管形狀及大小。如下圖所示：

翼型溫度計套管

具體步驟如下：

（1）定性地使用流體力學軟件，采用2D模型模擬，分析圓柱形溫度計套管和翼型溫度套管在不同流速下的瞬態流態狀況。目的：判斷外形改變后，同樣流量下流態是否可以得到緩解。

（2）使用3D模型，模擬驗證分析圓柱形溫度計套管和翼型溫度套管的流態情況，與2D模型進行對比，如果結果一致，可以使用2D模擬進行更多的驗證，減小計算耗時。

（3）使用3D模型模擬圓柱形溫度計套管在不同的插入深度情況下的流態情況，掌握套管在不同的位置的受力情況。

（4）在數值模擬得到一定的有效性后，機械加工一套法蘭式溫度套管，找到一個有效的流量計場所進行實戰測試對比。

4預期應用前景

翼型溫度計套管預計可有效減少卡門渦街效應，防止溫度計凸臺產生疲勞裂紋，此溫度計套管可安裝在易發生振動的大口徑的流量計中。也可代替原有的溫度計套管使用在需要溫度計套管的各個場合。

參考文獻：

[1]洪定一.聚丙烯——原 理 、工藝與技術.北京 ：中 國 石化 出版 社 ，2002