热套管计算

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 计 算 艾 默 生 提 供 新 式 热 套 管 计 算 工 具 免 费 在 线 提 供 根 据 ASME PTC 19.3 TW, 免 费 在 线 工 具 可 从 Rosemount.com/ThermowellCalc 获 得 立 即 试 用, 并 观 看 阐 述 新 标 准 的 视 频 Dirk Bauschke 工 程 经 理 David Wiklund 高 级 首 席 工 程 师 Andrew Dierker 机 械 项 目 工 程 师 Alex Cecchini 高 级 营 销 工 程 师 www.rosemount.com.cn

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 目 录 热 套 管 计 算 简 介................................................... 1-1 ASME PTC 19.3 的 简 要 历 史................................ 1-1 ASME PTC 19.3-1974 方 法 研 究............................. 1-2 涡 旋 脱 落 理 论............................................ 1-3 弯 曲 和 压 应 力............................................ 1-7 安 装 变 化.............................................. 1-12 无 支 撑 长 度 定 义......................................... 1-14 流 速 套 圈.............................................. 1-16 平 均 速 度 与 速 度 曲 线 图.................................... 1-17 热 套 管 构 造 要 求......................................... 1-17 1

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 2

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 简 介 热 套 管 本 质 上 是 如 同 悬 臂 一 样 安 装 到 过 程 管 道 中 的 圆 筒, 可 为 温 度 传 感 器 提 供 过 程 条 件 保 护 和 过 程 密 封 在 过 程 流 体 通 过 热 套 管 周 围 时, 会 在 层 流 湍 流 和 过 渡 流 的 下 游 端 形 成 低 压 涡 旋 由 于 存 在 由 来 自 流 体 流 动 的 静 态 纵 向 拉 力 和 交 替 涡 旋 脱 落 导 致 的 动 态 横 向 升 力 生 成 的 应 力 组 合, 因 此 热 套 管 可 能 会 因 疲 劳 产 生 机 械 故 障 管 道 设 计 人 员 可 以 使 用 多 种 工 具 在 其 系 统 中 预 测 和 避 免 热 套 管 故 障, 但 是 ASME PTC 19.3-1974 已 成 为 设 计 大 多 数 热 套 管 所 依 据 的 标 准 流 向 颜 色 增 强 的 烟 迹 显 示 层 状 流 体 中 的 冯 卡 门 涡 街 (1) ASME PTC 19.3 的 简 要 历 史 该 标 准 的 历 史 要 回 溯 到 1957 年, 当 时 ASME( 美 国 机 械 工 程 师 学 会 ) 对 1930 年 的 温 度 测 量 补 充 说 明 不 满 意, 因 为 它 不 包 括 热 和 应 力 效 应 ASME 请 锅 炉 和 压 力 容 器 委 员 会 制 订 一 个 文 档, 但 是 锅 炉 和 压 力 容 器 委 员 会 认 为 这 不 在 他 们 的 工 作 范 围 之 内 一 个 独 立 委 员 会 随 后 承 担 了 所 有 温 度 测 量 工 作, 其 中 也 包 括 热 套 管 设 计 ASME PTC 19.3-1974 的 基 础 是 J.W. Murdock 所 著 的 一 篇 论 文 (1959 年 ) (2) 海 军 研 究 生 学 校 的 John Brock 在 1974 年 进 行 了 一 些 后 续 工 作, 发 现 了 几 项 Murdock 假 设 或 忽 略 的 内 容 Brock 提 出 了 一 些 建 议, 如 使 用 可 变 斯 特 劳 哈 尔 数 而 不 是 固 定 斯 特 劳 哈 尔 数 在 热 套 管 的 自 然 频 率 近 似 计 算 中 应 用 安 装 系 数, 以 及 检 查 频 率 比 限 值 0.8 以 解 释 自 然 频 率 计 算 中 的 不 确 定 性 (3) 其 中 某 些 内 容 显 示 ASME PTC 19.3-1974 有 待 改 进 (1) 维 基 百 科 http://en.wikipedia.org/wiki/vortex_induced_vibration ( 截 至 2011 年 5 月 20 日 ) (2) Murdock, J.W., Power Test Code Thermometer Wells Journal of Engineering for Power (1959). (3) Brock, John E., Stress Analysis of Thermowells, Naval Postgraduate School, Monterey CA (1974). 1

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 ASME PTC 19.3-1974 似 乎 无 法 解 释 所 有 安 装 1995 年 日 本 文 殊 号 快 中 子 增 殖 反 应 堆 由 于 液 钠 冷 却 剂 系 统 泄 漏 而 停 机, 这 是 典 型 的 灾 难 性 热 套 管 疲 劳 故 障 范 例 调 查 显 示, 热 套 管 是 根 据 ASME PTC 19.3-1974 设 计 的, 但 是 故 障 模 式 的 成 因 是 纵 向 共 振, 这 在 标 准 中 未 做 解 释 因 此 便 制 订 了 日 本 版 本 的 标 准, 称 为 JSME S012 (1) 经 过 多 年 的 调 查 和 法 律 战 之 后, 该 反 应 堆 最 终 于 2010 年 5 月 重 新 启 动 不 过 在 大 多 数 情 况 下,ASME PTC 19.3-1974 在 蒸 汽 和 非 蒸 汽 应 用 中 都 得 到 了 成 功 使 用 几 个 关 键 因 素 导 致 ASME 在 1999 年 重 新 组 成 了 委 员 会 以 彻 底 重 写 标 准 ; 进 一 步 了 解 热 套 管 性 能 一 些 灾 难 性 故 障 ( 其 中 包 括 文 殊 号 反 应 堆 ) 及 有 限 元 分 析 在 应 力 建 模 中 的 更 多 使 用 这 些 因 素 结 合 在 一 起, 促 使 许 多 业 内 人 士 放 弃 ASME PTC 19.3-1974 中 的 不 成 熟 方 法 和 简 化 表 格, 转 而 采 用 预 测 热 套 管 自 然 频 率 和 计 算 强 迫 频 率 的 更 先 进 方 法 由 于 工 作 所 带 来 的 重 大 改 变, 委 员 会 决 定 发 布 新 标 准, 而 不 是 仅 仅 更 新 现 有 版 本 的 ASME PTC 19.3-1974 ASME PTC 19.3-1974 的 热 套 管 计 算 部 分 共 有 4 页 相 比 之 下, 由 于 需 要 解 释 理 论 并 且 过 程 极 其 复 杂, 因 此 名 为 ASME PTC 19.3 TW-2010 ( TW 表 示 热 套 管 ) 的 新 标 准 总 共 包 含 40 多 页 ASME PTC 19.3 TW-2010 于 2010 年 7 月 发 布 ASME PTC 19.3-1974 方 法 研 究 可 选 设 计 详 细 信 息 符 合 ASME 规 范 的 附 加 方 法 包 括 焊 接 式 和 螺 纹 式 从 热 套 管 到 附 件 部 分 过 渡 时, 应 避 免 应 力 上 升 不 连 续 性 如 果 未 超 过 d 尺 寸, 可 出 于 热 响 应 升 高 而 改 变 端 头 设 计 如 前 所 述,1974 年 标 准 非 常 简 要 它 适 用 的 杆 剖 面 非 常 少, 并 且 使 用 简 化 公 式 对 热 套 管 建 模 以 进 行 自 然 频 率 计 算 即 使 允 许 使 用 ASME 锅 炉 和 压 力 容 器 及 管 道 规 范 批 准 的 任 何 连 接 方 法, 该 公 式 也 不 会 区 分 常 用 安 装 型 式 变 化 ( 如 法 兰 式 螺 纹 式 和 承 插 焊 接 式 ), 并 且 会 忽 略 不 同 杆 剖 面 ( 如 直 型 锥 型 和 阶 梯 型 ) 的 影 响 未 针 对 表 中 未 包 含 的 孔 尺 寸 进 行 说 明, 因 此 直 径 为 6 毫 米 和 1 /4 英 寸 的 传 感 器 的 孔 在 公 式 中 共 享 相 同 常 量, 但 未 为 直 径 3 毫 米 的 传 感 器 孔 提 供 任 何 常 量 尽 管 有 许 多 缺 点, ASME PTC 19.3-1974 的 确 采 用 了 一 个 简 单 过 程 来 进 行 热 套 管 评 估, 并 因 此 在 业 内 得 到 广 泛 认 可 ; 收 集 过 程 数 据 和 热 套 管 材 料 信 息, 计 算 自 然 和 斯 特 劳 哈 尔 频 率, 将 比 率 与 0.8 进 行 比 较, 计 算 弯 曲 应 力, 将 最 大 压 力 与 过 程 压 力 进 行 比 较, 并 将 最 大 长 度 与 所 需 长 度 进 行 核 对 收 集 过 程 数 据 和 材 料 信 息 是 一 个 简 单 步 骤, 只 不 过 有 一 个 数 据 不 再 容 易 获 得, 即 过 程 温 度 下 的 频 率 与 70 F 时 频 率 的 比 率 计 算 热 套 管 自 然 频 率 的 方 法 使 用 简 单 公 式, 但 是 没 有 很 好 地 定 义 某 些 项, 如 K f 如 果 热 套 管 U 长 度 不 能 与 表 中 列 出 的 任 何 一 个 值 匹 配, 设 计 人 员 应 使 用 比 热 套 管 保 守 长 度 更 长 的 数 据 对 于 可 接 受 的 热 套 管 设 计, 斯 特 劳 哈 尔 频 率 与 自 然 频 率 之 比 不 应 超 过 0.8 最 终 步 骤 是 基 于 稳 定 状 态 应 力 评 估 热 套 管 长 度 这 可 确 定 热 套 管 为 处 理 弯 曲 应 力 可 以 采 用 的 最 大 长 度 将 此 长 度 与 所 需 长 度 进 行 比 较, 以 确 定 其 是 否 可 接 受 或 是 否 必 须 缩 短 (1) Odahara, Sanoru, et al. Fatigue Failure by In-line Flow-induced Vibration and Fatigue Life Evaluation, JSME International Journal, Series A, Vol. 48, No. 2 (2005). 2

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 涡 旋 脱 落 理 论 (ASME PTC 19.3 TW-2010 的 基 础 ) 当 流 体 在 其 路 径 中 的 钝 体 周 围 流 动 时, 会 在 该 物 体 下 游 形 成 涡 旋 这 常 常 称 为 涡 旋 脱 落 冯 卡 门 涡 街 或 流 体 涡 旋 涡 旋 是 以 交 替 模 式 在 下 游 形 成 并 脱 落 的 低 压 单 元 由 于 交 替 涡 旋 而 形 成 的 压 差 会 对 物 体 生 成 交 替 力 这 会 在 其 偏 移 时, 对 物 体 形 成 交 替 应 力 此 现 象 可 在 自 然 界 中 观 察 到, 例 如 桥 墩 下 游 水 流 中 的 漩 涡 山 顶 云 层 顺 风 区 中 的 旋 涡 或 是 在 风 吹 过 公 用 设 施 管 线 时 听 到 的 风 吹 声 尽 管 涡 旋 脱 落 对 于 过 程 流 量 测 量 有 用, 不 过 由 于 它 可 能 会 导 致 故 障, 热 套 管 设 计 人 员 应 尽 量 避 免 使 用 流 向 胡 安 费 尔 南 德 斯 群 岛 附 近 智 利 海 岸 云 层 中 的 冯 卡 门 涡 街 的 7 号 陆 地 卫 星 图 像 (1999 年 9 月 15 日 ) (1) (1) NASA 地 球 观 测 站 网 站 http://earthobservatory.nasa.gov/newsroom/newimages/images.php3?img_id=3328 3

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 因 为 热 套 管 故 障 的 主 要 原 因 是 共 振 导 致 的 疲 劳, 所 以 设 计 人 员 需 要 了 解 涡 旋 脱 落 以 便 避 免 其 影 响, 并 预 测 涡 旋 脱 落 频 率 由 于 涡 旋 脱 落 以 50 Hz 到 1,500 Hz 之 间 的 频 率 发 生, 因 此 热 套 管 可 能 会 在 短 时 间 内 遇 到 许 多 个 周 期 最 低 速 度 斯 特 劳 哈 尔 数 由 于 涡 旋 引 起 的 振 动 所 导 致 的 热 套 管 故 障 示 例 (1) 随 着 涡 旋 脱 落 频 率 ( 或 斯 特 劳 哈 尔 频 率 ) 接 近 热 套 管 自 然 频 率, 末 端 位 移 和 应 力 会 显 著 增 加, 热 套 管 可 能 会 由 于 必 须 吸 收 大 量 能 量 而 发 生 故 障 因 此 除 了 过 程 条 件 ( 如 压 力 温 度 和 腐 蚀 ) 之 外, 设 计 人 员 还 必 须 针 对 应 用 中 的 总 体 适 用 性 而 考 虑 高 循 环 疲 劳 强 度 对 于 缓 慢 流 动 的 过 程 流 体, 不 会 有 足 够 能 量 从 过 程 流 体 传 输 到 热 套 管, 因 此 不 会 导 致 疲 劳 故 障 如 果 满 足 以 下 条 件, 则 无 需 进 行 频 率 限 制 计 算, 因 为 热 套 管 故 障 风 险 是 微 不 足 道 的 1. 过 程 流 体 速 度, V < 0.64 m/s (2.1 ft./sec) 2. 壁 厚, (A d) 9.55 mm (0.376 in.) 3. 无 支 撑 长 度, L 0.61 m (24 in.) 4. 根 部 和 末 端 直 径 (A 和 B) 12.7 mm (0.5 in.) 5. 允 许 的 最 大 应 力, S 69 Mpa (10 ksi) 6. 耐 疲 劳 性 限 值, S f 21 Mpa (3 ksi) 即 便 如 此, 这 些 低 速 度 仍 可 能 会 激 发 纵 向 共 振, 从 而 因 为 共 振 时 存 在 的 高 振 动 而 导 致 传 感 器 故 障 如 果 不 满 足 这 些 条 件, 或 是 如 果 由 于 流 体 交 互 作 用 而 可 能 导 致 应 力 腐 蚀 或 材 料 脆 化 ( 这 可 能 会 导 致 耐 疲 劳 性 变 化 ), 则 设 计 人 员 必 须 充 分 评 估 热 套 管 设 计 对 于 是 使 用 固 定 还 是 可 变 斯 特 劳 哈 尔 数 的 问 题, 已 进 行 了 很 多 讨 论 ASME PTC 19.3-1974 使 用 0.22 的 固 定 斯 特 劳 哈 尔 数, 而 Brock 建 议 根 据 雷 诺 数 来 使 用 可 变 斯 特 劳 哈 尔 数 许 多 业 内 人 士 开 始 将 可 变 斯 特 劳 哈 尔 数 纳 入 到 涡 旋 脱 落 频 率 公 式 中, 在 ASME PTC 19.3-1974 框 架 中, 称 之 为 布 洛 克 方 法 或 类 似 说 法 0.5 斯 特 劳 哈 尔 数 0.4 0.3 0.2 0.1 平 滑 表 面 ANSI/ASME PTC 19.3-1974(1996 年 再 次 确 认 ) 粗 糙 表 面 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 雷 诺 数 将 斯 特 劳 哈 尔 数 显 示 为 雷 诺 数 函 数 的 典 型 图 表 (1) Energy Institute, Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue in Process Pipework 2nd Edition, (2008), Publication Number 978-0-85293-463-0. 4

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 ASME PTC 19.3 TW-2010 委 员 会 在 决 定 如 何 使 用 可 变 斯 特 劳 哈 尔 数 之 前 审 查 了 后 续 实 验 对 于 在 形 式 上 与 热 套 管 相 似 的 机 加 工 直 型 和 锥 型 圆 筒, 2001 年 JSME International Journal 上 发 表 的 两 篇 论 文 显 示 了 其 有 趣 的 测 试 结 果 在 将 圆 筒 浸 入 流 体 流 中 时 测 量 了 力 和 振 动 振 幅 得 出 的 结 论 是, 以 前 实 验 中 的 较 大 斯 特 劳 哈 尔 数 证 据 是 基 于 涡 旋 脱 落 的 测 量 值, 而 不 是 热 套 管 上 实 际 力 的 测 量 值 (1)(2) 粗 糙 表 面 在 实 验 中 定 义 为 测 量 值 超 过 128 Ra 加 工 行 业 中 热 套 管 的 表 面 光 洁 度 都 不 会 超 过 32 Ra, ASME PTC 19.3 TW-2010 中 的 应 力 限 制 和 计 算 对 于 比 32 Ra 更 粗 糙 的 表 面 无 效 0.3 Norberg Achenbach, k/d-300e-5 Roshko, k/d=1.1e-5 拟 合 斯 特 劳 哈 尔 数, S t 0.25 0.2 0.15 0.1 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 雷 诺 数 粗 糙 圆 筒 斯 特 劳 哈 尔 数 的 实 际 数 据 作 为 雷 诺 数 函 数 (3) 雷 诺 数 热 套 管 自 然 频 率 根 据 此 数 据,ASME PTC 19.3 TW-2010 委 员 会 决 定 纳 入 通 过 粗 糙 圆 筒 曲 线 定 义 的 可 变 斯 特 劳 哈 尔 数 为 了 简 化 计 算, 还 允 许 设 计 人 员 保 守 地 将 斯 特 劳 哈 尔 数 近 似 为 0.22 如 果 设 计 人 员 无 法 建 立 动 态 或 运 动 流 体 粘 度 来 确 定 雷 诺 数 时, 这 尤 其 有 用 在 任 何 完 全 浸 入 的 流 动 中, 基 本 参 数 是 雷 诺 数 雷 诺 数 是 流 场 中 的 惯 性 力 与 粘 性 力 之 比 为 用 于 涡 旋 脱 落 元 素, 雷 诺 数 的 长 度 输 入 是 脱 落 元 素 的 宽 度 对 于 热 套 管, 为 末 端 直 径 ASME PTC 19.3 TW-2010 将 热 套 管 作 为 简 单 悬 臂 梁 进 行 建 模, 并 通 过 包 括 加 入 的 流 体 质 量 加 入 的 传 感 器 质 量 非 均 匀 剖 面 梁 和 安 装 合 规 性, 应 用 一 系 列 校 正 系 数 来 解 释 与 理 想 梁 之 间 的 差 异 对 于 阶 梯 型 杆 热 套 管, 由 于 几 何 形 状 和 应 力 纵 向 振 动 集 中 点 的 因 素, 大 多 数 相 关 性 和 计 算 都 会 更 加 复 杂 下 游 液 体 旋 涡 横 向 振 动 (1) 用 于 热 套 管 应 力 计 算 的 流 体 引 起 的 力 和 轴 分 配 因 此, ASME PTC 19.3 TW-2010 将 考 虑 的 阶 梯 型 杆 热 套 管 尺 寸 变 化 限 制 在 标 准 范 围 内 (1) Sakai, T., Iwata, K., Morishita, M., and Kitamura, S., Vortex-Induced Vibration of a Circular Cylinder in Super-Critical Reynolds Number Flow and Its Suppression by Structure Damping, JSME Int. J. Ser. B. 44, 712-720 (2001). (2) Iwata, K., Sakai, T., Morishita, M., and Kitamura, S., Evaluation of Turbulence-Induced Vibration of a Circular Cylinder in Super-Critical Reynolds Number Flow and Its Suppression by Structure Damping, JSME Int. J. Ser. B. 44, 721-728 (2001). (3) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW ( 草 稿 7) 5

f n 频 率 热 套 管 临 界 速 度 白 皮 书 热 套 管 计 算 应 用 所 有 校 正 系 数 之 后, 会 计 算 现 场 或 安 装 的 自 然 频 率 f c n, 并 将 其 用 于 其 余 频 率 分 析 建 立 热 套 管 自 然 频 率 之 后, 设 计 人 员 需 要 设 置 自 然 频 率 与 斯 特 劳 哈 尔 频 率 之 间 的 安 全 余 量 纵 向 ( 拉 动 ) 刺 激 横 向 ( 提 升 ) 标 称 共 振 条 件 近 似 锁 定 范 围???? 流 体 速 度 显 示 锁 定 区 域 的 纵 向 和 横 向 刺 激 示 意 图 (1) 实 际 上 有 两 种 模 式 的 热 套 管 刺 激 横 向 ( 提 升 ) 力 导 致 热 套 管 在 与 流 垂 直 的 方 向 上 振 动, 而 纵 向 ( 拉 动 ) 力 导 致 热 套 管 在 与 流 平 行 的 方 向 上 振 动 纵 向 振 动 大 约 是 横 向 频 率 的 两 倍 纵 向 临 界 速 度 ( 斯 特 劳 哈 尔 频 率 等 于 自 然 频 率 ) 大 约 是 横 向 速 度 的 一 半 ASME PTC 19.3-1974 未 解 释 纵 向 振 动, 仅 解 释 了 稳 定 状 态 弯 曲 应 力 (2) 当 脱 落 频 率 的 变 化 与 流 体 速 度 成 比 例 时, 热 套 管 会 非 常 容 易 地 锁 定 到 共 振 频 率 这 还 会 显 著 改 变 速 度, 使 热 套 管 在 其 自 然 频 率 上 避 免 脱 落 涡 旋 因 为 典 型 热 套 管 的 阻 尼 非 常 低, 所 以 避 免 共 振 是 至 关 重 要 的 共 振 时, 力 和 位 移 会 显 著 增 加 c f s < 0.8 f n 使 用 20% 的 防 护 带 应 对 由 于 以 下 原 因 引 起 的 显 著 变 化 : 热 套 管 弹 性 响 应 的 非 线 性 宽 松 的 热 套 管 制 造 公 差 仅 按 3 位 有 效 数 建 立 的 材 料 属 性 信 息 过 程 中 流 速 温 度 密 度 或 粘 性 的 细 微 日 常 变 化 由 于 纵 向 振 动 的 速 度 大 约 是 横 向 速 度 的 一 半 ( 或 两 倍 的 频 率 ), 因 此 流 体 受 到 更 多 限 制 c 2f s < 0.8 f n 以 稍 微 不 同 的 方 式 看 待 此 问 题, 会 以 更 大 视 角 了 解 允 许 进 行 热 套 管 操 作 的 位 置 f s ( 稳 定 状 态 ) < 0.4 f n c 或 0.6 f n c < f s ( 稳 定 状 态 ) < 0.8 f n c (1) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW-2010 (2) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3-1974 (1998 年 再 次 确 认 ) 6

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 0.6 0.4 0.8 纵 向 共 振 横 向 共 振 振 幅 回 避 区 域 流 体 速 度 斯 柯 顿 数 弯 曲 和 压 应 力 ( 用 于 ASME PTC 19.3 TW-2010) 该 图 形 描 述 热 套 管 对 流 体 引 起 的 力 的 振 幅 响 应 (1) ASME PTC 19.3 TW-2010 还 包 含 超 临 界 操 作 的 规 定, 其 中 热 套 管 的 操 作 频 率 高 于 热 套 管 自 然 频 率 艾 默 生 强 烈 反 对 在 此 情 况 下 操 作 热 套 管 理 论 的 新 增 内 容 是 使 用 斯 柯 顿 数, 该 数 表 示 热 套 管 的 固 有 阻 尼 ASME PTC 19.3 TW-2010 非 常 保 守, 将 阻 尼 系 数 设 置 为 0.0005, 除 非 是 通 过 其 他 方 式 确 定 小 于 2.5 的 斯 柯 顿 数 表 示 不 存 在 固 有 阻 尼, 热 套 管 必 须 按 纵 向 共 振 频 率 进 行 评 估 并 且 避 免 横 向 共 振 频 率 随 着 斯 柯 顿 数 增 大, 固 有 阻 尼 级 别 会 增 大, 这 会 减 少 变 形, 进 而 减 少 应 力 可 接 受 的 阻 尼 级 别 允 许 热 套 管 在 纵 向 上 操 作, 甚 至 可 以 在 横 向 共 振 频 率 上 操 作 如 果 情 况 是 热 套 管 的 操 作 频 率 高 于 自 然 频 率, 则 必 须 考 虑 较 高 阶 共 振, 但 是 ASME PTC 19.3 TW-2010 未 提 供 有 关 于 此 的 任 何 指 导, 艾 默 生 强 烈 反 对 在 此 情 况 下 操 作 热 套 管 虽 然 涡 旋 脱 落 理 论 和 应 用 似 乎 备 受 关 注, 但 是 热 套 管 中 的 应 力 和 作 用 力 对 于 评 估 特 定 过 程 应 用 的 适 用 性 也 十 分 重 要 与 1974 版 中 的 简 单 方 法 相 比, ASME PTC 19.3 TW-2010 中 与 热 套 管 上 的 频 率 和 应 力 有 关 的 内 容 要 详 细 得 多 这 样 便 允 许 采 用 更 广 泛 的 安 装 型 式 剖 面 和 孔 尺 寸, 来 满 足 行 业 中 当 前 的 产 品 需 要 对 于 一 组 特 定 过 程 条 件,ASME PTC 19.3 TW-2010 中 总 共 有 4 个 量 化 标 准 用 于 可 接 受 的 热 套 管 : 1. 频 率 限 制 : 热 套 管 的 共 振 频 率 必 须 足 够 高, 以 便 流 体 流 动 不 会 激 发 破 坏 性 振 荡 2. 动 态 应 力 限 制 : 最 大 主 动 态 应 力 不 得 超 过 允 许 的 疲 劳 应 力 限 制 如 果 设 计 要 求 热 套 管 经 历 纵 向 共 振 以 达 到 操 作 条 件, 则 会 对 共 振 进 行 额 外 疲 劳 检 查 3. 静 态 应 力 限 制 : 热 套 管 上 的 最 大 稳 定 状 态 应 力 不 得 超 过 允 许 的 应 力 ( 根 据 冯 米 塞 斯 标 准 确 定 ) 4. 流 体 静 压 力 限 制 : 外 部 压 力 不 得 超 过 热 套 管 末 端 杆 和 法 兰 ( 或 螺 纹 ) 的 压 力 额 定 值 (1) 改 编 自 ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW-2010 7

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 频 率 限 制 经 历 纵 向 共 振 此 外, 必 须 考 虑 热 套 管 材 料 对 过 程 环 境 的 适 用 性 这 表 示 设 计 人 员 必 须 评 估 腐 蚀 和 侵 蚀 对 热 套 管 的 影 响 情 况, 以 及 暴 露 在 过 程 条 件 下 对 材 料 属 性 的 影 响 情 况 涡 旋 脱 落 理 论 一 节 讨 论 用 于 斯 特 劳 哈 尔 频 率 计 算 的 ASME PTC 19.3 TW-2010 方 法 如 果 斯 特 劳 哈 尔 频 率 介 于 纵 向 临 界 频 率 锁 定 带 与 横 向 临 界 频 率 锁 定 带 之 间, 并 且 斯 柯 顿 数 评 估 表 示 阻 尼 不 足, 则 必 须 修 改 热 套 管 设 计, 除 非 满 足 以 下 所 有 条 件 : 1. 过 程 流 体 为 气 体 2. 热 套 管 仅 在 启 动 关 闭 过 程 中 经 历 纵 向 共 振, 或 是 在 操 作 过 程 中 很 少 经 历 纵 向 共 振 3. 共 振 时 的 峰 值 应 力 小 于 材 料 的 疲 劳 限 制 4. 过 程 流 体 不 会 导 致 材 料 属 性 改 变 ( 特 别 是 耐 疲 劳 性 ) 5. 热 套 管 故 障 的 后 果 是 可 接 受 的 风 险 如 果 热 套 管 峰 值 振 荡 弯 曲 应 力 小 于 纵 向 临 界 速 度 时 的 耐 疲 劳 性 限 制, 则 热 套 管 可 能 会 在 达 到 稳 定 状 态 设 计 速 度 的 过 程 中 经 历 纵 向 共 振 锁 定 区 域 由 于 会 对 热 套 管 施 加 大 量 疲 劳 循 环 以 及 传 感 器 损 坏 的 可 能 性 增 大, 因 此 不 允 许 在 纵 向 共 振 锁 定 区 域 内 采 用 稳 定 状 态 速 度 耐 疲 劳 限 值 0.4 0.6 0.8 应 力 计 算 动 态 应 力 设 计 速 度 过 程 流 体 速 度 显 示 通 过 纵 向 共 振 评 估 的 热 套 管 设 计 的 示 例 图 8

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 0.4 0.6 0.8 应 力 耐 疲 劳 限 值 计 算 动 态 应 力 设 计 速 度 过 程 流 体 速 度 显 示 未 通 过 纵 向 共 振 评 估 的 热 套 管 设 计 的 示 例 图 根 据 ASME PTC 19.3 TW-2010, 也 许 可 接 受 此 设 计 如 果 热 套 管 峰 值 振 荡 弯 曲 应 力 大 于 纵 向 临 界 速 度 时 的 耐 疲 劳 性 限 制, 则 关 于 热 套 管 是 否 可 以 在 纵 向 临 界 速 度 以 上 进 行 操 作 会 更 加 不 明 确 理 论 上, 如 果 热 套 管 快 速 经 历 纵 向 共 振 锁 定 区 域, 则 允 许 在 0.6 f n c 到 0.8 f n c 之 间 进 行 操 作 疲 劳 循 环 计 数 会 在 热 套 管 寿 命 中 进 行 累 积, 因 此 了 解 热 套 管 处 于 共 振 的 时 间 长 度 十 分 重 要 由 于 疲 劳 寿 命 取 决 于 许 多 因 素, 热 套 管 在 共 振 中 的 操 作 时 间 越 长, 其 寿 命 越 短 0.4 0.6 0.8 应 力 耐 疲 劳 限 值 计 算 动 态 应 力 设 计 速 度 过 程 流 体 速 度 显 示 艾 默 生 如 何 解 释 纵 向 共 振 评 估 的 示 例 图 艾 默 生 认 为 此 设 计 不 可 接 受 由 于 仪 器 提 供 商 不 了 解 有 关 倾 斜 上 升 速 度 的 设 计 详 细 信 息, 因 此 艾 默 生 会 将 未 通 过 峰 值 振 荡 弯 曲 应 力 评 估 且 在 纵 向 临 界 速 度 以 上 操 作 的 热 套 管 视 为 不 可 接 受 9

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 与 流 体 隔 离 的 热 套 管 支 撑 面 Lo L 与 流 体 部 分 隔 离 的 锥 型 热 套 管 大 多 数 安 装 的 热 套 管 与 流 体 部 分 隔 离 ; 暴 露 在 流 体 中 的 热 套 管 长 度 不 是 完 整 的 无 支 撑 长 度, 需 要 调 整 弯 矩 和 弯 曲 应 力 的 公 式 锥 型 热 套 管 上 的 隔 离 效 果 可 方 便 地 演 示, 但 是 对 阶 梯 型 杆 热 套 管 上 的 隔 离 效 果 进 行 预 测 或 建 模 的 难 度 要 大 得 多, 因 为 暴 露 的 表 面 不 是 均 匀 变 化 的 形 状, 且 数 据 存 在 显 著 的 不 连 续 性 因 此, 根 据 阶 梯 相 对 于 流 体 流 动 的 位 置, 可 为 阶 梯 型 杆 隔 离 热 套 管 执 行 两 组 评 估 还 必 须 执 行 两 次 应 力 计 算, 以 确 定 热 套 管 根 部 和 阶 梯 处 的 应 力 应 力 降 低 百 分 比 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 热 套 管 与 流 体 隔 离 的 百 分 比 纵 向 循 环 应 力 评 估 锥 型 热 套 管 上 的 隔 离 效 果 了 解 安 装 和 过 程 条 件 以 及 斯 特 劳 哈 尔 频 率 在 频 率 域 中 所 处 的 位 置 之 后, 可 以 执 行 作 用 于 热 套 管 的 实 际 应 力 分 析 如 前 所 述, 如 果 热 套 管 要 在 纵 向 临 界 速 度 以 上 进 行 操 作, 则 当 它 在 达 到 设 计 速 度 的 过 程 中 经 过 该 区 域 时, 要 考 虑 纵 向 共 振 时 的 循 环 应 力 还 必 须 评 估 处 于 设 计 速 度 时 的 稳 定 状 态 和 动 态 应 力 由 作 用 于 热 套 管 表 面 的 纵 向 和 横 向 力 形 成 的 循 环 应 力 会 集 中 在 根 部 为 了 应 对 共 振 条 件, 必 须 以 纵 向 共 振 临 界 速 度 执 行 计 算, 以 了 解 共 振 时 的 峰 值 弯 曲 应 力 是 否 小 于 材 料 的 耐 疲 劳 性 限 制 此 分 析 在 纵 向 临 界 点 执 行, 所 以 由 于 纵 向 共 振 而 形 成 的 力 增 大 会 掩 盖 升 力, 因 而 可 以 忽 略 升 力 以 简 化 计 算 仅 当 斯 柯 顿 数 评 估 指 示 过 程 条 件 需 要 此 评 估 时, 才 需 执 行 纵 向 临 界 速 度 用 于 计 算 作 用 于 热 套 管 的 单 位 面 积 力 由 于 是 以 平 均 值 的 形 式 提 供 过 程 流 体 速 度 而 不 是 速 度 曲 线 图, 因 此 计 算 还 假 设 单 位 面 积 是 热 套 管 的 整 个 暴 露 长 度 如 果 热 套 管 某 部 分 与 流 动 部 分 隔 离 ( 例 如 带 支 架 管 道 ), 则 还 必 须 考 虑 这 一 点 对 于 阶 梯 型 杆 热 套 管, 必 须 对 两 个 峰 值 应 力 位 置 ( 阶 梯 型 杆 的 根 部 和 基 部 ) 执 行 此 分 析 为 了 确 保 进 行 保 守 的 计 算, 固 有 阻 尼 系 数 设 置 为 0.0005 阶 梯 型 杆 热 套 管 必 须 在 两 个 位 置 进 行 评 估 以 找 出 两 者 中 的 最 高 应 力 ASME PTC 19.3 TW-2010 中 的 主 要 变 化 之 一 是 使 用 表 格 指 定 允 许 的 疲 劳 应 力 限 制 该 表 将 材 料 按 材 料 级 别 进 行 分 类, 并 在 安 装 方 法 中 交 叉 引 用 以 确 定 应 力 限 制 必 须 要 注 意, 部 分 焊 透 焊 接 被 视 为 抗 疲 劳 性 小 于 全 焊 透 焊 接, 此 表 中 为 其 提 供 的 值 较 小 有 关 更 多 信 息, 请 参 阅 下 面 的 热 套 管 构 造 要 求 10

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 设 计 速 度 下 的 稳 定 状 态 应 力 评 估 设 计 速 度 下 的 动 态 应 力 评 估 压 应 力 评 估 还 必 须 以 设 计 速 度 评 估 热 套 管, 以 确 保 其 满 足 过 程 环 境 的 需 求 稳 定 状 态 应 力 是 过 程 中 外 部 压 力 与 拉 力 的 组 合 需 再 次 针 对 最 大 应 力 位 置 计 算 这 些 项, 因 此 如 果 部 分 热 套 管 隔 离, 或 是 为 阶 梯 型 杆, 则 应 在 考 虑 这 些 安 装 考 虑 事 项 的 情 况 下 执 行 计 算 计 算 出 最 大 应 力 之 后, 可 以 将 其 用 于 确 定 是 否 满 足 冯 米 塞 斯 标 准 冯 米 塞 斯 标 准 用 于 评 估 球 体 和 圆 筒 中 的 剪 切 和 压 应 力 条 件 它 会 预 测 材 料 的 塑 性 屈 服 条 件 (1) 通 过 了 此 评 估, 则 表 示 稳 定 状 态 应 力 未 超 过 材 料 疲 劳 强 度, 可 以 采 用 所 需 设 计 速 度 使 用 热 套 管 热 套 管 上 的 动 态 应 力 归 因 于 振 荡 提 升 力 ( 横 向 ) 和 拉 力 ( 纵 向 ) 放 大 系 数 表 示 随 着 斯 特 劳 哈 尔 频 率 接 近 热 套 管 自 然 频 率 ( 如 接 近 纵 向 临 界 速 度 ) 时 力 增 大 的 指 数 性 质 如 果 斯 特 劳 哈 尔 频 率 不 在 纵 向 或 横 向 自 然 频 率 锁 定 带 中, 则 会 计 算 放 大 系 数 并 应 用 于 循 环 应 力 公 式 需 要 按 照 与 执 行 纵 向 循 环 应 力 评 估 相 同 的 方 式, 以 设 计 速 度 计 算 循 环 拉 力 和 升 力 与 以 前 执 行 的 纵 向 循 环 应 力 评 估 不 同, 不 会 忽 略 升 力 如 果 设 计 速 度 大 于 纵 向 临 界 速 度, 则 可 能 必 须 将 热 套 管 视 为 会 以 不 确 定 方 式 在 纵 向 共 振 应 力 级 别 上 操 作 请 参 阅 上 面 有 关 经 历 纵 向 共 振 章 节 显 然, 需 对 热 套 管 设 计 执 行 多 项 评 估, 但 是 借 助 诸 如 纵 向 临 界 速 度 稳 定 状 态 和 动 态 应 力 评 估 这 类 信 息, 设 计 人 员 可 以 详 细 地 了 解 热 套 管 在 频 率 域 中 的 操 作 范 围 及 其 操 作 时 接 近 于 疲 劳 限 制 的 程 度 这 类 信 息 让 设 计 人 员 能 够 决 定 要 在 过 程 中 保 持 的 安 全 系 数 了 解 应 用 是 否 可 接 受 热 套 管 设 计 的 最 终 检 查 是 压 应 力 评 估 该 评 估 经 常 会 被 忽 视, 因 为 它 一 般 不 是 设 计 不 合 适 的 原 因, 但 却 非 常 关 键 必 须 分 别 对 杆 和 末 端 执 行 压 应 力 检 查 根 据 过 程 压 力, 有 两 种 方 法 可 用 于 计 算 柄 上 的 压 力, 作 为 适 用 性 检 查 对 低 于 103 MPa (15 ksi) 的 过 程 压 过 程 压 力 力,ASME PTC 19.3 TW-2010 建 议 使 用 ASME 锅 炉 压 力 容 器 规 范 (BPVC) 第 VIII 部 分 第 UG-28 段 来 计 算 允 许 的 外 部 压 力 BPVC 这 一 部 分 列 出 的 温 度 限 制 不 适 用, 因 为 大 部 分 热 套 管 是 按 ASME B31.1 或 ASME B31.3 设 计 的 因 此, 应 通 过 前 述 的 两 种 标 准 之 一 获 得 允 许 的 最 大 应 力 值 ASME PTC 19.3 TW-2010 中 之 所 以 会 引 用 BPVC 中 的 计 算, 是 因 为 公 式 具 有 成 功 使 用 的 历 史, 在 行 业 中 比 较 有 名 如 果 所 需 热 套 管 材 料 不 在 BPVC 中 或 是 如 果 需 要 更 简 单 的 方 法, 则 ASME PTC 19.3 TW-2010 提 供 了 备 选 简 化 关 系 使 用 简 化 方 法 的 缺 点 是 在 某 些 温 度 下, 此 方 法 对 某 些 材 料 确 定 的 杆 压 力 可 能 比 通 过 UG-28 方 法 计 算 的 值 低 17% 优 点 是 计 算 复 杂 性 较 小, 且 具 有 额 外 安 全 余 量 对 于 高 压 (> 103 MPa (15 ksi)) 应 用, ASME PTC 19.3 TW-2010 采 用 ASME BPVC 第 VIII 部 分 第 3 节 或 ASME B31.3 第 IX 章 进 行 计 算 此 高 压 ( 超 过 ASME B16.5 中 针 对 2500# 法 兰 的 压 力 限 制 ) 需 要 小 心 评 估, 不 要 通 过 自 动 化 工 具 执 行 末 端 厚 度 是 从 外 部 末 端 到 钻 孔 最 远 点 的 最 薄 尺 寸 因 为 大 多 数 热 套 管 使 用 枪 钻 制 造, 所 以 使 用 的 末 端 厚 度 应 是 最 薄 点 的 实 际 测 量 值, 这 十 分 重 要 使 用 波 峰 尺 寸 计 算 传 感 器 长 度, 因 为 波 峰 会 接 触 传 感 器, 而 不 是 波 谷 当 枪 钻 尖 锐 时, 波 谷 可 能 会 更 深 ( 更 薄 )1.5 毫 米 [0.060 英 寸 ], 并 随 着 钻 头 磨 损 而 变 厚 (1) Brock, John E., Stress Analysis of Thermowells, Naval Postgraduate School, Monterey CA (1974). 11

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 端 头 厚 度 热 套 管 末 端 厚 度 详 细 信 息 热 套 管 可 以 承 受 的 最 大 压 力 是 杆 或 末 端 压 力 限 制 中 较 小 的 值 重 要 注 释 : 无 论 参 照 ASME PTC 19.3 还 是 ASME PTC 19.3 TW-2010, 压 应 力 评 估 都 只 涉 及 热 套 管 杆 ( 或 柄 ) 和 端 头 可 承 受 的 应 力, 而 不 是 螺 纹 或 法 兰 可 承 受 的 应 力 应 在 针 对 涡 旋 引 起 的 振 动 评 估 热 套 管 设 计 之 前, 执 行 过 程 连 接 选 择 和 压 力 额 定 值 评 估 材 料 信 息 安 装 变 化 弯 管 安 装 针 对 材 料 信 息 的 最 佳 工 程 实 践 是 尽 可 能 使 用 可 靠 且 标 准 化 的 信 息 艾 默 生 仅 使 用 来 自 开 放 源 标 准 ( 如 ASME 锅 炉 和 压 力 容 器 规 范 与 ASME B31.1/B31.3) 的 材 料 信 息 此 信 息 通 常 比 较 保 守, 为 业 界 所 接 受 理 论 上, 艾 默 生 可 以 使 用 供 应 商 信 息 填 充 材 料 数 据 库 但 不 鼓 励 此 做 法, 因 为 艾 默 生 不 能 确 保 将 特 定 批 次 的 材 料 用 于 特 定 热 套 管 可 符 合 特 定 报 告 标 准 这 不 是 优 化 热 套 管 性 能 的 实 用 或 可 靠 方 法 在 过 程 中 安 装 热 套 管 的 方 法 可 能 会 显 著 影 响 热 套 管 应 力 计 算 和 涡 旋 脱 落 此 处 讨 论 的 变 化 不 属 于 标 准 安 装 ( 如 法 兰 式 螺 纹 式 和 焊 接 式 热 套 管 ) 或 热 套 管 的 部 分 隔 离 ASME PTC 19.3 TW-2010 未 针 对 在 弯 管 中 安 装 热 套 管 提 供 有 意 义 的 指 导 由 于 存 在 湍 流 且 复 杂 性 高, 因 此 对 弯 管 中 的 流 体 进 行 建 模 极 其 困 难 ASME PTC 19.3 TW-2010 建 议 为 保 守 起 见, 考 虑 将 整 个 无 支 撑 无 隔 离 长 度 暴 露 在 流 体 中, 同 时 作 用 力 垂 直 于 ( 即 正 常 ) 热 套 管 轴 对 于 许 多 情 况, 这 并 不 是 可 接 受 的 答 案 对 于 此 过 于 保 守 的 观 点, ASME PTC 19.3 TW-2010 中 的 某 些 意 见 和 委 员 会 讨 论 产 生 了 一 种 备 选 方 法 如 果 末 端 处 于 距 离 弯 管 足 够 远 的 上 游 或 下 游 位 置, 从 而 使 流 体 流 动 在 末 端 处 与 热 套 管 轴 平 行, 则 斯 特 劳 哈 尔 数 非 常 小, 因 为 穿 过 末 端 的 流 体 微 不 足 道 ASME PTC 19.3 TW-2010 表 示 这 超 出 了 标 准 的 范 围, 而 业 内 其 他 人 士 坚 持 认 为 此 类 型 的 安 装 对 与 自 然 频 率 非 常 接 近 的 热 套 管 设 计 来 说, 是 一 个 简 单 的 解 决 方 案 12

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 V L L V 末 端 朝 向 下 游 安 装 在 弯 管 中 的 热 套 管 (1) ASME PTC 19.3 TW-2010 建 议, 安 装 热 套 管 时 最 好 让 其 指 向 上 游 方 向, 因 为 流 体 流 量 和 位 置 恰 当, 流 向 热 套 管 施 加 的 矩 臂 和 力 较 小, 并 且 末 端 上 流 体 的 层 流 性 更 强 如 果 末 端 指 向 下 游, 流 体 在 经 过 热 套 管 周 围 后 形 成 的 旋 涡 可 能 会 具 有 一 些 交 叉 末 端 分 量, 但 是 这 极 难 建 模 与 下 面 的 成 角 度 安 装 一 样, 矩 臂 计 算 十 分 复 杂, 因 此 无 法 方 便 预 测 力 矩 臂 和 应 力 的 变 化 L V 成 角 度 的 安 装 末 端 朝 向 上 游 安 装 在 弯 管 中 的 热 套 管 (2) 艾 默 生 正 考 虑 对 这 些 安 装 方 法 进 行 更 广 泛 的 调 查, 以 便 证 实 这 些 解 决 方 案 的 优 点 客 户 经 常 将 热 套 管 与 流 体 成 角 度 地 安 装 以 便 操 作, 减 少 作 用 于 热 套 管 的 力 或 是 增 加 其 在 小 尺 寸 管 路 中 暴 露 在 流 体 中 的 长 度, 从 而 获 取 更 加 准 确 的 温 度 读 数 末 端 速 度 上 的 偏 航 角 度 效 果 与 简 单 三 角 法 无 关 它 还 会 使 预 测 作 用 于 热 套 管 的 应 力 和 力 变 得 复 杂 化 (1) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW-2010 (2) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW-2010 13

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 随 着 安 装 角 度 改 变, 经 过 末 端 的 速 度 会 下 降 V 轴 交 叉 = V 流 动 COS(θ), θ 最 大 为 30 (1) 方 形 管 道 与 圆 形 管 道 无 支 撑 长 度 定 义 成 角 度 安 装 中 的 速 度 矢 量 随 着 角 度 接 近 0, 经 过 末 端 的 速 度 分 量 会 接 近 统 一, 或 是 完 全 等 于 流 动 速 度 对 于 应 力 不 是 限 制 因 素 的 安 装, 这 可 以 帮 助 减 小 斯 特 劳 哈 尔 频 率 对 于 作 用 于 热 套 管 的 力, 此 相 同 逻 辑 并 不 适 用 随 着 角 度 改 变, 表 面 面 积 会 增 大, 热 套 管 长 度 会 增 大, 从 而 增 大 摩 擦 力 热 套 管 周 围 的 流 体 流 动 的 建 模 会 越 来 越 复 杂, 因 而 无 法 容 易 地 预 测 力 矩 臂 和 应 用 的 变 化 ASME PTC 19.3 TW-2010 表 示 这 超 出 了 标 准 的 范 围, 不 过 艾 默 生 正 考 虑 对 此 安 装 方 法 进 行 更 广 泛 的 调 查, 以 便 证 实 此 解 决 方 案 的 优 点 对 于 高 难 度 的 客 户 应 用, 这 可 能 是 唯 一 可 行 的 安 装 方 法 由 于 新 标 准 使 用 平 均 速 度, 因 此 无 需 对 方 形 管 道 的 流 动 剖 面 以 及 它 与 圆 形 管 道 有 何 不 同 进 行 了 解 或 建 模 设 计 人 员 只 需 了 解 质 量 流 率 密 度 和 横 截 面 积 便 可 计 算 平 均 速 度 有 关 这 一 点 的 更 多 讨 论, 请 参 阅 平 均 速 度 一 节 无 支 撑 长 度 的 定 义 已 随 着 ASME PTC 19.3 TW-2010 的 发 布 而 改 变 ASME PTC 19.3 TW-2010 中 使 用 的 梁 理 论 模 型 对 无 支 撑 长 度 的 变 化 非 常 敏 感, 因 此 需 要 做 出 明 确 一 致 的 定 义 对 于 法 兰 式 热 套 管 ( 包 括 活 套 法 兰 / 凡 司 徒 法 兰 ), 浸 入 长 度 与 无 支 撑 长 度 相 同 无 支 撑 长 度 (d) 法 兰 型 热 套 管 法 兰 型 热 套 管 (2) (1) S. E. Ramberg, The Effects of Yaw and Finite Length upon the Vortex Wakes of Stationary and Vibrating Cylinders, Journal of Fluid Mechanics 128, 81-107 (1983). (2) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW-2010 14

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 无 支 撑 长 度 (e) 活 套 ( 凡 司 徒 法 兰 ) 热 套 管 (1) 活 套 法 兰 / 凡 司 徒 法 兰 热 套 管 无 支 撑 长 度 (a) 螺 纹 式 热 套 管 螺 纹 式 热 套 管 (1) 对 于 螺 纹 式 热 套 管, 浸 入 长 度 与 无 支 撑 长 度 相 同, 但 是 实 验 结 果 表 明, 无 支 撑 长 度 从 螺 纹 部 分 的 2 个 或 3 个 螺 纹 处 开 始 在 ASME PTC 19.3 TW-2010 中, 通 过 对 螺 纹 式 热 套 管 应 用 校 正 系 数 来 解 决 这 一 问 题 焊 接 式 热 套 管 方 面 的 变 化 最 大 对 浸 入 长 度 的 不 正 确 使 用 会 缩 短 无 支 撑 长 度 并 提 高 热 套 管 的 自 然 频 率 无 支 撑 长 度 (b) 安 装 在 通 孔 式 热 电 偶 适 配 器 上 的 承 插 焊 接 式 热 套 管 通 孔 焊 接 式 热 套 管 (1) 无 支 撑 长 度 切 勿 使 热 套 管 触 到 接 头 底 部 (c) 承 插 焊 接 式 热 套 管 承 插 焊 接 式 热 套 管 (1) (1) ASME 标 准, 性 能 测 试 规 范 19.3TW-2010 15

热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 计 算 无 支 撑 长 度 的 正 确 起 始 位 置 是 焊 接 点, 但 是 因 为 艾 默 生 无 法 准 确 了 解 焊 接 点, 所 以 必 须 为 计 算 估 计 焊 接 点 或 必 须 使 用 总 体 热 套 管 长 度 这 会 确 保 无 论 如 何 安 装 热 套 管, 提 供 的 计 算 都 是 安 全 保 守 的 备 选 方 法 是 在 热 套 管 上 划 下 一 条 线, 用 于 显 示 无 支 撑 长 度 必 须 进 行 焊 接 的 位 置, 以 便 使 计 算 准 确 或 保 守 这 会 更 加 复 杂, 并 需 要 了 解 承 插 尺 寸 必 须 阐 明 无 支 撑 长 度 的 特 殊 情 况 是 根 据 DIN 43772 安 装 的 焊 接 式 热 套 管 这 些 设 计 采 用 穿 透 到 管 道 中 的 严 格 公 差 孔 以 及 加 工 棒 材 热 套 管 的 严 格 公 差 由 于 存 在 这 种 安 装 公 差, 因 此 无 法 确 保 移 动 无 支 撑 长 度 所 需 的 干 涉 配 合 ( 请 参 阅 流 速 套 圈 一 节 ) 如 果 缺 少 其 他 信 息, 则 会 按 照 左 侧 的 详 细 信 息 定 义 此 安 装 的 无 支 撑 长 符 合 DIN 43772 的 焊 接 式 热 套 管 度 流 速 套 圈 在 ASME PTC 19.3 TW-2010 中, 还 解 决 了 速 度 ( 或 频 率 ) 套 圈 的 使 用 问 题 该 标 准 表 示 不 推 荐 将 套 圈 用 作 刚 性 支 撑 件 来 缩 短 无 支 撑 长 度 这 只 能 通 过 使 用 干 涉 配 合 来 实 现 这 是 因 为 热 套 管 末 端 位 移 通 常 很 小 ( 小 于 0.5 毫 米 ), (1)(2) 套 圈 与 带 支 架 管 道 内 径 之 间 的 任 何 间 隙 都 会 导 致 套 圈 无 法 减 小 有 效 无 支 撑 长 度 此 外, 与 锤 子 重 复 撞 击 金 属 表 面 一 样, 热 套 管 或 管 道 会 连 续 变 形, 并 且 间 隙 会 加 宽, 直 至 没 有 任 何 接 触 这 可 能 会 由 于 凹 陷 而 导 致 热 套 管 中 的 应 力 增 大, 也 可 能 会 最 终 破 坏 位 于 套 圈 附 近 的 焊 接 套 圈 必 须 是 有 效 的 干 涉 配 合, 因 为 艾 默 生 无 法 确 保 最 终 配 合, 所 以 建 议 使 用 几 何 形 状 或 安 装 变 化 来 满 足 过 程 条 件, 而 不 是 使 用 套 圈 不 允 许 任 何 间 隙 Dvc 带 支 架 管 道 ID 套 圈 与 带 支 架 管 道 ID 间 不 允 许 存 在 任 何 间 隙 艾 默 生 会 继 续 提 供 采 用 按 照 客 户 规 格 构 造 的 流 速 套 圈 的 热 套 管, 但 是 我 们 谢 绝 提 供 有 关 流 速 套 圈 尺 寸 的 建 议, 并 且 不 会 为 使 用 流 速 套 圈 的 安 装 提 供 计 算 报 告 任 何 其 他 政 策 都 与 该 方 法 一 致 处 理 DIN 43772 焊 接 式 热 套 管 时, 对 流 速 套 圈 使 用 的 方 法 与 具 有 类 似 用 途 的 其 他 安 装 相 同 (1) Finch, P., Hamblin, M., and Constable, D., In-situ Measurement of Thermowell Vibration during Production Train Pressurisation, Woodside Energy Ltd. Report (date unknown post 2001 and pre 2010). (2) Haslinger, K.H., Westinghouse Electric Company, Flow-induced vibration testing of replacement thermowell designs, Journal of Fluids and Structures (2003). 16

白 皮 书 热 套 管 计 算 热 套 管 平 均 速 度 与 速 度 曲 线 图 有 人 认 为 计 算 热 套 管 上 力 的 最 佳 方 法 是 使 用 有 限 元 分 析 (FEA) 方 法 获 得 大 量 详 细 信 息 和 高 精 度 使 用 FEA 方 法 的 困 难 之 处 在 于, 输 入 的 参 数 会 持 续 改 变, 因 此 在 不 同 的 时 间, 所 得 的 精 度 会 超 出 可 用 范 围 ASME PTC 19.3-1974 和 ASME PTC 19.3 TW-2010 标 准 都 使 用 平 均 速 度 进 行 计 算 这 种 做 法 的 基 础 逻 辑 是 设 计 人 员 通 常 了 解 质 量 流 率, 但 可 能 不 甚 了 解 经 过 管 道 的 流 动 剖 面 设 计 人 员 仅 使 用 质 量 流 率 密 度 和 横 截 面 积 便 可 计 算 平 均 速 度 使 用 平 均 速 度 还 可 使 计 算 更 加 简 单, 从 而 让 用 户 广 泛 接 受 充 分 展 示 管 道 中 湍 流 流 动 剖 面 的 示 例 热 套 管 构 造 要 求 计 算 现 场 自 然 频 率 时, ASME PTC 19.3 TW-2010 假 设 热 套 管 采 用 固 体 棒 材 制 造, 以 便 可 使 用 简 单 梁 模 型 热 套 管 杆 可 以 是 锻 造 或 冷 弯 材 料, 但 是 不 能 由 管 道 或 管 材 料 制 成 此 限 制 表 示, ASME PTC 19.3 TW-2010 未 涵 盖 属 于 3 片 式 焊 接 构 造 的 热 套 管 或 是 通 过 使 用 焊 帽 钻 透 末 端 来 制 造 的 热 套 管 最 好 将 全 焊 透 焊 接 用 于 法 兰 式 热 套 管, 以 实 现 最 高 疲 劳 强 度 额 定 值 ( 请 参 见 ASME PTC 19.3 TW-2010 中 的 允 许 的 疲 劳 应 力 振 幅 限 制 ) 锻 造 式 热 套 管 可 在 不 进 行 焊 接 的 情 况 下 实 现 相 同 目 的, 但 是 成 本 要 高 得 多 凡 司 徒 法 兰 式 热 套 管 无 需 更 多 成 本 即 可 实 现 此 目 的, 但 是 许 多 客 户 不 使 用 此 型 式 的 热 套 管 另 一 个 构 造 问 题 是 热 套 管 的 制 造 公 差 太 宽 松 的 公 差 可 能 会 导 致 梁 公 式 不 准 确, 并 且 可 能 超 出 公 式 内 所 含 的 所 有 安 全 余 量 但 是 严 格 实 施 公 差 可 能 会 导 致 热 套 管 制 造 成 本 增 加 对 于 尺 寸 还 必 须 考 虑 腐 蚀 余 量 17

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热 套 管 白 皮 书 热 套 管 计 算 1277 021 2892 9000 021 2892 9001 201206 10 7 010 8572 6666 010 8572 6888 100020 410-412 2107 020 2883 8900 020 2883 8901 510030 34 9 029 8865 0888 029 8865 0899 710065 B 1803 0755 8659 5099 0755 8659 5095 518054 188 3001 025 6608 3220 025 6608 3230 210019 17 9 8907 0531 8209 7188 0531 8209 7199 250011 62 S-10-10 028 6235 0188 028 6235 0199 610041 160 1001 0991 5802 277 0991 5803 377 830000 6 010-5865 2638 010-6420 0619 100013 2014 Emerson Rosemount Rosemount www.rosemount.com.cn RMT.China@emerson.com 800-820-1996 20