插入式溫度計套管的選型設計研究

頓張靜，趙展銘，劉富鵬，馬國印，陳 健

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

在LNG接收站中，溫度是一種非常重要的過程監測及控制聯鎖參數，管道設備的安全運行、工廠生產的穩定運營都離不開對溫度的測量控制[1]。在不同測量方式中，按照溫度元件是否與被測介質接觸，可分為接觸式和非接觸式兩類。在非接觸式溫度計中，插入式溫度計的應用最為廣泛。插入式溫度計將溫度元件插入到套管中，再將套管插入管道或設備中，一方面它可以有效保護溫度元件免受腐蝕和高速流體的影響，另一方面可在工藝不停車的情況下對儀表進行檢修及檢驗。根據ASME PTC 19.3 TW-2016[2]，對套管的設計、材料屬性、可接受的振動頻率、穩態動態應力進行了說明。基于此，文獻[3-9]對于套管共振的問題，對振動頻率和應力符合性進行了計算和評估，并提出一定的建議。

在LNG接收站工程中，插入式溫度計在卸料及外輸管線、氣化器海水入口及天然氣出口、壓縮機出入口、儲罐BOG外輸管線等位置均有布置，被測介質涉及LNG、NG、海水、空氣等流體。溫度計套管長時間浸沒在這些流體中，一旦流體中存在氧或腐蝕性介質，會對溫度計套管產生不同程度的腐蝕，進而影響溫度計的測量精度和使用壽命。因此，為安全、穩定地監測接收站中各管道設備的溫度，對溫度計套管的合理選型至關重要。

1 溫度計套管測溫原理

插入式溫度計的測溫原理類似于管狀肋導熱問題，可根據傳熱學進行計算。由于溫度元件與套管頂端接觸，可認為溫度元件的讀數就是套管頂端的壁面溫度，被測介質向套管外表面進行對流傳熱，而套管一方面向根部導熱，另一方面通過輻射傳熱給溫度元件，因此套管的壁面溫度必然低于被測介質的實際溫度，兩者的誤差為：

式中：h為套管外表面傳熱系數；λ為管材導熱系數；δ為套管壁厚；H為套管高度。

2 溫度計套管類型

目前，LNG接收站中應用的溫度計套管類型主要為整體鉆孔型套管，整體鉆孔型套管又包括了錐形保護套管、直形保護套管和階梯保護型套管3種類型。其中，若被測介質流速較高，壓力較高，振動頻率相對較低，同時對溫度計套管具有高強度要求時，應優先選用錐形保護套管。較直形保護套管相比，錐形保護套管提供了更好的強度和更快的溫度響應，錐形保護套管結構示意圖如圖1。

圖1 錐形套管結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of tapered shank

當被測介質流速較高，壓力較高，且錐形保護套管無法通過振動頻率計算時，宜選用直形保護套管，直形保護套管結構圖如圖2。

圖2 直形套管結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of straight shank

對于要求減小阻力或減小熱響應時間的場合，可選用階梯形整體鉆孔保護套管，如圖3。在LNG接收站中，錐形保護套管與直形保護套管最為常見，溫度計套管的最終選型應根據生產廠家提供的套管振動頻率計算書決定。

圖3 階梯形套管結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of stepped shank

除以上3種套管類型，目前還有其他形式的套管結構，如渦街套管。該形式可有效降低渦激振動帶來的影響，減緩疲勞，無需太大的壁厚。

圖5 焊接連接示意圖Fig.5 Sleeve diagram of welding connection

3 溫度計套管連接方式

溫度計套管的連接方式主要包括法蘭連接、螺紋連接和焊接3種方式。

3.1 法蘭連接

法蘭連接是將兩個管件或器材，先各自固定在一個法蘭盤上，并在兩個法蘭盤之間加上法蘭墊片，通過螺栓緊固在一起完成連接。在實際應用中，法蘭連接不僅擁有較高的耐壓性和密封性，而且相比于其他連接方式更易安裝和拆卸，方便設備的維護檢修。因此，在LNG接收站中，溫度計套管的過程連接方式首選法蘭連接。壓力等級和法蘭規格應符合配管材料等級規定，法蘭規格通常選用ASME B16.5，1-1/2”，RF。對于LNG低溫工況，若壓力等級≥900LB時，套管采用鍛件整體鉆孔1-1/2”對焊；若壓力等級≤600LB時，套管采用鍛件整體鉆孔1”對焊。圖4為法蘭連接套管示意圖。

圖4 法蘭連接套管示意圖Fig.4 Sleeve diagram of flange connection

3.2 螺紋連接

螺紋連接是利用連接件的螺紋部分將被連接件連成一體的可拆卸連接方式，螺紋連接在小管徑、低壓力時加工方便，成本低，便于安裝，但是在連接尺寸較大、壓力較高等場合下，其連接可靠性與法蘭連接方式相比較差。對于用非危險介質（如水、空氣、氮氣等）的低壓管道（CL150或以下）可采用螺紋連接。因此，在LNG接收站中很少用到螺紋連接的套管。

3.3 焊接

焊接是一種密封性最好、可靠性最高的連接方式，在施工合格的前提下，基本可以保證零泄漏。但是天然氣屬于易燃易爆的危險介質，焊接連接的溫度計套管一旦發生問題（腐蝕、斷裂等），更換、維修的過程中需工廠停車、吹掃，再進行切割、焊接等動火作業，給工廠帶來經濟損失以及極大的安全隱患。除非當配管材料等級規定不允許采用法蘭連接時，采用承插焊連接。因此，在LNG接收站中溫度計套管不推薦使用焊接方式。

此外，套管還可以分為組裝式和整體式兩種類型。組裝式套管由管材制成，末端采用固體焊接封閉；整體式套管則是由棒材加工而成。

4 溫度計套管規格

根據規范[10]要求，溫度計套管的插入深度應保證溫度元件的端點位于被測介質溫度變化的靈敏區域。在管道內安裝時，插入深度宜位于管道直徑的1/3～1/2處，并且應至少插入管道內50mm。通常情況下，接收站套管長度最長不應超過400mm，套管長度應與配套的測溫元件相匹配。套管插入長度的選擇應按以下插入長度考慮，以便減少測量元件的規格，增加互換性：200mm，240mm，280mm，320mm，360mm，400mm；對于介質流速較高的場合，特別是較高的氣體介質，應避免因選擇過長的插入長度，以免振動損壞套管。而對于管道來說，套管安裝的最小管道公稱直徑為4”。當管道直徑小于4”時，需將該管道擴大至4”。

另外，用于強腐蝕性介質的溫度計算套管應采用加厚管壁。用于TC、RTD及雙金屬溫度計時，孔徑不應小于φ6.5mm；用于壓力式溫度計時，孔徑不應小于φ10mm；但當溫度計管嘴內壁襯膠或帶有防腐涂層時，其有效內徑應大于溫度計套管根部外徑至少2mm。而套管外徑通常為φ22/φ16mm，此部分需制造商通過計算最終確定。另外，套管的應力計算應由制造商根據流體流速、套管撓度及支撐等核算，從而為套管設計提供支持。

5 溫度計套管材質選型

在實際應用中，受被測介質本身的化學屬性影響，溫度計套管的材質很大程度上決定了溫度計套管的使用壽命。在選擇溫度計套管材質時，應充分考慮溫度測量范圍以及防腐蝕、防磨蝕等要求。本文參考了SH/T 3005規范，并結合了某LNG項目實際應用經驗，對材質的選用問題進行了探討。常用的溫度計套管材質見表1。

表1 溫度計套管材質選擇表Table 1 Thermometer sleeve material selection

在LNG接收站項目中，溫度計套管材質選擇主要為316/316L不銹鋼、蒙乃爾合金、哈氏合金3類。其中，316/316L不銹鋼的應用最為范圍廣，對于低溫LNG、NG等低腐蝕性流體，套管均可選用316/316L不銹鋼。另外，316/316L不銹鋼雖然具有一定的耐腐蝕性，但是在高鹽高腐蝕性介質下，例如海水，其使用效果并不理想，還是可能出現腐蝕從而影響測量精度。因此，建議使用蒙乃爾合金或哈氏合金，從而確保溫度計能夠正常運行。

根據以上設計經驗，在選用溫度計套管材質時，應充分考慮被測介質的物理及化學性質，避免因為材質選擇不當導致溫度計損壞。

6 結束語

在LNG接收站中，對于溫度計套管的選型，應基于項目實際工藝條件，充分考慮其套管類型、連接方式以及材質等，保證能夠滿足強度和振動計算，連接方式可靠，方便檢維修以及長期安全穩定使用。

綜上，溫度計套管應優先選用錐形整體鉆孔式。當無法通過振動頻率計算時，可考慮選用直形整體鉆孔式，連接方式首選法蘭連接。當被測介質無腐蝕性或腐蝕性極低時，優先選用316/316L不銹鋼；當被測介質腐蝕性較強時（如海水等），宜選用蒙乃爾合金或哈氏合金。