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    ASME PTC 19.3 TW-2016中温度计套管强度计算及选用

    2022/5/18 0:13:11 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:http://www.visaraprinting.com/tech/4244.html

    流程工业中常采用带有?;ぬ坠艿娜鹊缗?、热电阻和双金属温度计等测量介质温度。测温点的工况决定温度传感器套管的类型、材质和连接形式。套管有直形、锥形和阶梯形。一般中低压的场合,可选用直形套管;对于被测介质流速较高、要求套管高强度的场合,可选用锥形套管;对于要求阻力小、响应时间短的场合,可选用阶梯形套管。温度计套管连接有法兰、螺纹和焊接三种形式。温度计套管材质通常选用316SS不锈钢或其他材料。

    当温度计套管插入有流动介质的管道或设备时,如果产生共振,则套管会由于剧烈振动而损坏。判断共振现象发生的依据是温度计套管自然频率(fnc)与介质涡旋脱落频率(fs)的频率比(r)。温度计套管插入流体时对流体流动产生阻碍,导致在套管两侧交替产生漩涡,称为卡门涡街。涡旋脱落在套管上产生两种力,分别是横向振动升力和纵向振动阻力。两者频率分别为fs和2fs。当fs或者2fs与fnc接近时,共振现象发生,即:在fs=0.5fnc时,纵向共振发生;在fs=fnc时,横向共振发生。纵向共振发生时的流速为横向共振发生时流速的50%,纵向共振更容易发生。




    昌晖仪表生产高性能温度计套管。昌晖仪表在本文专业介绍ASME PTC 19.3TW-2016中温度计套管频率计算、强度计算及选用。

     
    度计套管强度计算

    1、适用温度计套管类型
    ASME PTC 19.3TW-2016中给出的温度计套管强度计算方法,适用范围主要包括套管类型、套管外形尺寸和套管加工精度要求。

    (1)温度计套管类型

    由套管的连接类型和套管形式确定套管类型。套管类型见表1。
     表1  温度计套管类型


    ①锥形温度计套管截面如图1所示。

    锥形温度计套管截面

    ②阶梯形温度计套管截面如图2所示。

    阶梯形温度计套管截面

    (2)套管外形尺寸

    ①直形套管和锥形套管的尺寸见表2。
    表2  直形套管和锥形套管的尺寸

    直形套管和锥形套管的尺寸
    注:插入深度大于最大值时本计算方法仍然有效,仅适用于整体棒料钻孔的套管。


    阶梯形套管的尺寸见表3。
    表3  阶梯形套管的尺寸

    阶梯形套管的尺寸
    注:端部直径B仅为12.70mm(0.5in)和2.23mm(0.875in)两个数值。

    (3)温度计套管加工精度要求

    温度计套管加工误差见表4。
    表4  温度计套管加工误差

    温度计套管加工误差
    如果加工精度不能满足表4要求,应进行误差修正。


    2、温度计套管强度判据准则

    (1)低流速状态判断
    如果温度计套管处于低流速状态,发生损坏的风险较小。满足下述低流速判断条件时可不进行自然频率、相应频率比、稳态应力和动态应力的计算,但要进行最大操作压力及外部压力限值计算。
    ①工艺介质最大流速小于0.64m/s。
    ②温度计套管外形尺寸:A-d≥9.55mm、L≤610mm、A≥B≥12.7mm。
    ③温度计套管材料:最大允许工作压力S≥69MPa,且动态应力限值Sf≥21MPa(316SS)。
    ④温度计套管材料不受应力腐蚀或脆变影响。

    (2)频率限制条件

    计算温度计套管自然频率fnc和涡旋脱落频率fs。频率限制的合格判据:fs<0.4fnc,fs<0.8fnc或0.6fnc<fs<0.8fnc

    3、温度计套管自然频率计算

    ①计算平均套管外径
    a、直形套管:Da=A
    b、锥形套管:Da=(A+B)/2
    c、阶梯形套管:Da=A

    ②计算温度计套管初始自然频率fa


    式中I为转动惯量,;
    m为温度计套管单位长度的质量,。
    使用温度下温度计套管的弹性模量E可查相关物性参数表。

    ③计算修正系数Hf

    a、直形和锥形套管

    b、阶梯形套管


    式中,



    ci参数见表5。

    表5  ci参数
    温度计套管ci参数
    注:本表仅适用于B=22.2mm和B=12.7mm两种尺寸。


    ④计算流体附加质量修正系数Haf


    式中,ρ为介质密度,kg/m3。
    蒸汽或低密度气体介质时,Haf=1.0;水介质时Haf=0.94;密度较大介质时,Haf会减小。


    ⑤计算测温元件质量修正系数Has


    式中,ρs为测温元件的密度。热电阻或热电偶ρs=2700kg/m3。

    6.35mm(0.25in)直径测温元件,可设定Has=0.96;9.53mm(0.375in)直径测温元件,可设定Has=0.93。

    ⑥计算理想支撑套管的自然频率fn

    fn=Hf×Haf×Has×fa

    ⑦计算安装后套管的自然频率fnc

    fnc=Hc×fn,式中Hc为温度计的安装弹性系数。
    a、当套管与管道连接方式为法兰或焊接时:

    一般设定b为0。

    b、当温度计套管与管道连接方式为螺纹连接时:
    Hc=1-0.9(A/L)

    综上所述,安装后温度计套管自然频率fnc随流体介质ρ增大而减小,与使用温度下套管的材料弹性模量E成正比。介质密度从低到高,使用温度从常温到大于600℃,安装后的套管自然频率fnc在200Hz左右。

    4、温度计套管涡旋脱落频率f
    s计算
    温度计套管涡旋脱落频率与介质流速有关,即

    式中,Ns为斯特罗哈数;V为流速,m/s;B为套管头部直径,m(in)。
    Ns的计算用工况流速,不是共振时流速。Ns与介质雷诺数Re有关,约为0.22。
    ①22≤Re≤1300时

    ②1300≤Re≤5×105

    ③5×105≤Re≤5×107
    Ns=0.22
    雷诺数Re
    在简单估算或介质黏度难以确定时,Ns=0.22。

    5、温度计套管应力计算
    (1)在设计流速条件下的稳态应力计算
    ①计算套管上应力
    a、径向压力应力Sr:Sr=P
    b、圆周压力应力St

    c、轴向压力应力Sa

    式中,P为操作压力,Pa;d为套管孔径,m;A为套管根部外径,m。
    ②在套管支撑面下游侧稳态应力计算

    式中,SD为稳态应力,Pa;CD为稳态压力阻力系数(CD=1.4);Gβ为计算参数Gsp或GRD。

    (2)在设计流速条件下的动态应力计算
    ①在非纵向共振条件下横向共振放大系数计算

    式中,FM为横向共振放大系数;r为涡旋脱落频率与自然频率比(横向共振),r=fs/fnc(fs为涡旋脱落频率,Hz;fnc为安装后套管自然频率,Hz)。
    ②在非纵向共振条件下纵向共振放大系数计算


    式中,F'M为纵向共振放大系数;r'为涡旋脱落频率与自然频率比(纵向共振),

    ③计算横向振动应力SL

    CL=1.0

    ④计算纵向振动应力Sd

    Cd=0.1
    ⑤计算最大应力Smax:Smax=SD+Sa

     
    (3)在纵向共振条件下的动态应力计算

    ①在纵向共振条件下的流速(VIR)计算
    a、22≤Re≤1300时

    b、1300≤Re≤5×105

    c、5×105≤Re≤5×107


    其中,计算VIR时的多项式函数
    a(R)=0.0285R2-0.0496R
    R=lg(Re/Re0)
    Re0=1300
    在工程实际计算中,Ns=0.22,计算纵向共振流速:

    ②在温度计套管支撑面下游侧应力计算
    a、稳态应力SD计算

    CD=1.4

    b、横向振动应力SL忽略不计。
    c、纵向振动应力Sd计算

    V=VIR
    F'M=1000
    ③应力集中系数Kt的确定
    a、一般Kt取2.2。
    b、螺纹连接时Kt取2.3。
    c、已知b和A:


     式中,A为套管根部直径;b为套管根部圆角半径。
    ④动态应力FT、FE、Sf的确定。
    a、FE为环境因数,FE≤1。
    b、FT为温度校正因数,FT=E(T)/Eref。E(T)为操作温度下的弹性模量,Eref为弹性模量参考值。A级材料,Eref=202GPa,低铬合金,Eref=213GPa;B级材料,Eref=195GPa,镍铜合金,Eref=179GPa。

    (4)Gβ参数计算(Gβ参数是指GSP和GRD两个参数。)

    ①对于锥形、直形无遮蔽长度的套管:

    ②对于锥形、直形有遮蔽长度的套管:


    温度计套管在生命周期里可能达到1×1011次振动,属于高循环限制条件下的振动,其Sf值可依据表6选取。
     
    表6   Sf参数
    温度计套管的Sf参数

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