頓張靜，趙展銘，劉富鵬，馬國(guó)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(guò)程監(jiān)測(cè)及控制聯(lián)鎖參數(shù)，管道設(shè)備的安全運(yùn)行、工廠生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)都離不開對(duì)溫度的測(cè)量控制[1]。在不同測(cè)量方式中，按照溫度元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸，可分為接觸式和非接觸式兩類。在非接觸式溫度計(jì)中，插入式溫度計(jì)的應(yīng)用最為廣泛。插入式溫度計(jì)將溫度元件插入到套管中，再將套管插入管道或設(shè)備中，一方面它可以有效保護(hù)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(duì)儀表進(jìn)行檢修及檢驗(yàn)。根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016[2]，對(duì)套管的設(shè)計(jì)、材料屬性、可接受的振動(dòng)頻率、穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行了說(shuō)明?；诖?，文獻(xiàn)[3-9]對(duì)于套管共振的問(wèn)題，對(duì)振動(dòng)頻率和應(yīng)力符合性進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估，并提出一定的建議。

在LNG接收站工程中，插入式溫度計(jì)在卸料及外輸管線、氣化器海水入口及天然氣出口、壓縮機(jī)出入口、儲(chǔ)罐BOG外輸管線等位置均有布置，被測(cè)介質(zhì)涉及LNG、NG、海水、空氣等流體。溫度計(jì)套管長(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi)在這些流體中，一旦流體中存在氧或腐蝕性介質(zhì)，會(huì)對(duì)溫度計(jì)套管產(chǎn)生不同程度的腐蝕，進(jìn)而影響溫度計(jì)的測(cè)量精度和使用壽命。因此，為安全、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)接收站中各管道設(shè)備的溫度，對(duì)溫度計(jì)套管的合理選型至關(guān)重要。

1 溫度計(jì)套管測(cè)溫原理

插入式溫度計(jì)的測(cè)溫原理類似于管狀肋導(dǎo)熱問(wèn)題，可根據(jù)傳熱學(xué)進(jìn)行計(jì)算。由于溫度元件與套管頂端接觸，可認(rèn)為溫度元件的讀數(shù)就是套管頂端的壁面溫度，被測(cè)介質(zhì)向套管外表面進(jìn)行對(duì)流傳熱，而套管一方面向根部導(dǎo)熱，另一方面通過(guò)輻射傳熱給溫度元件，因此套管的壁面溫度必然低于被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度，兩者的誤差為：

式中：h為套管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；λ為管材導(dǎo)熱系數(shù)；δ為套管壁厚；H為套管高度。

2 溫度計(jì)套管類型

目前，LNG接收站中應(yīng)用的溫度計(jì)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(hù)套管、直形保護(hù)套管和階梯保護(hù)型套管3種類型。其中，若被測(cè)介質(zhì)流速較高，壓力較高，振動(dòng)頻率相對(duì)較低，同時(shí)對(duì)溫度計(jì)套管具有高強(qiáng)度要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用錐形保護(hù)套管。較直形保護(hù)套管相比，錐形保護(hù)套管提供了更好的強(qiáng)度和更快的溫度響應(yīng)，錐形保護(hù)套管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 錐形套管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tapered shank

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)流速較高，壓力較高，且錐形保護(hù)套管無(wú)法通過(guò)振動(dòng)頻率計(jì)算時(shí)，宜選用直形保護(hù)套管，直形保護(hù)套管結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 直形套管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of straight shank

對(duì)于要求減小阻力或減小熱響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合，可選用階梯形整體鉆孔保護(hù)套管，如圖3。在LNG接收站中，錐形保護(hù)套管與直形保護(hù)套管最為常見，溫度計(jì)套管的最終選型應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的套管振動(dòng)頻率計(jì)算書決定。

圖3 階梯形套管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如渦街套管。該形式可有效降低渦激振動(dòng)帶來(lái)的影響，減緩疲勞，無(wú)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(jì)套管連接方式

溫度計(jì)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(gè)管件或器材，先各自固定在一個(gè)法蘭盤上，并在兩個(gè)法蘭盤之間加上法蘭墊片，通過(guò)螺栓緊固在一起完成連接。在實(shí)際應(yīng)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(shè)備的維護(hù)檢修。因此，在LNG接收站中，溫度計(jì)套管的過(guò)程連接方式首選法蘭連接。壓力等級(jí)和法蘭規(guī)格應(yīng)符合配管材料等級(jí)規(guī)定，法蘭規(guī)格通常選用ASME B16.5，1-1/2”，RF。對(duì)于LNG低溫工況，若壓力等級(jí)≥900LB時(shí)，套管采用鍛件整體鉆孔1-1/2”對(duì)焊；若壓力等級(jí)≤600LB時(shí)，套管采用鍛件整體鉆孔1”對(duì)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(shí)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(chǎng)合下，其連接可靠性與法蘭連接方式相比較差。對(duì)于用非危險(xiǎn)介質(zhì)（如水、空氣、氮?dú)獾龋┑牡蛪汗艿溃–L150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(xiǎn)介質(zhì)，焊接連接的溫度計(jì)套管一旦發(fā)生問(wèn)題（腐蝕、斷裂等），更換、維修的過(guò)程中需工廠停車、吹掃，再進(jìn)行切割、焊接等動(dòng)火作業(yè)，給工廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失以及極大的安全隱患。除非當(dāng)配管材料等級(jí)規(guī)定不允許采用法蘭連接時(shí)，采用承插焊連接。因此，在LNG接收站中溫度計(jì)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(jì)套管規(guī)格

根據(jù)規(guī)范[10]要求，溫度計(jì)套管的插入深度應(yīng)保證溫度元件的端點(diǎn)位于被測(cè)介質(zhì)溫度變化的靈敏區(qū)域。在管道內(nèi)安裝時(shí)，插入深度宜位于管道直徑的1/3～1/2處，并且應(yīng)至少插入管道內(nèi)50mm。通常情況下，接收站套管長(zhǎng)度最長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)400mm，套管長(zhǎng)度應(yīng)與配套的測(cè)溫元件相匹配。套管插入長(zhǎng)度的選擇應(yīng)按以下插入長(zhǎng)度考慮，以便減少測(cè)量元件的規(guī)格，增加互換性：200mm，240mm，280mm，320mm，360mm，400mm；對(duì)于介質(zhì)流速較高的場(chǎng)合，特別是較高的氣體介質(zhì)，應(yīng)避免因選擇過(guò)長(zhǎng)的插入長(zhǎng)度，以免振動(dòng)損壞套管。而對(duì)于管道來(lái)說(shuō)，套管安裝的最小管道公稱直徑為4”。當(dāng)管道直徑小于4”時(shí)，需將該管道擴(kuò)大至4”。

另外，用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的溫度計(jì)算套管應(yīng)采用加厚管壁。用于TC、RTD及雙金屬溫度計(jì)時(shí)，孔徑不應(yīng)小于φ6.5mm；用于壓力式溫度計(jì)時(shí)，孔徑不應(yīng)小于φ10mm；但當(dāng)溫度計(jì)管嘴內(nèi)壁襯膠或帶有防腐涂層時(shí)，其有效內(nèi)徑應(yīng)大于溫度計(jì)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(guò)計(jì)算最終確定。另外，套管的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)由制造商根據(jù)流體流速、套管撓度及支撐等核算，從而為套管設(shè)計(jì)提供支持。

5 溫度計(jì)套管材質(zhì)選型

在實(shí)際應(yīng)用中，受被測(cè)介質(zhì)本身的化學(xué)屬性影響，溫度計(jì)套管的材質(zhì)很大程度上決定了溫度計(jì)套管的使用壽命。在選擇溫度計(jì)套管材質(zhì)時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度測(cè)量范圍以及防腐蝕、防磨蝕等要求。本文參考了SH/T 3005規(guī)范，并結(jié)合了某LNG項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)材質(zhì)的選用問(wèn)題進(jìn)行了探討。常用的溫度計(jì)套管材質(zhì)見表1。

表1 溫度計(jì)套管材質(zhì)選擇表Table 1 Thermometer sleeve material selection

在LNG接收站項(xiàng)目中，溫度計(jì)套管材質(zhì)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(yīng)用最為范圍廣，對(duì)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(zhì)下，例如海水，其使用效果并不理想，還是可能出現(xiàn)腐蝕從而影響測(cè)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(jì)能夠正常運(yùn)行。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在選用溫度計(jì)套管材質(zhì)時(shí)，應(yīng)充分考慮被測(cè)介質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)，避免因?yàn)椴馁|(zhì)選擇不當(dāng)導(dǎo)致溫度計(jì)損壞。

6 結(jié)束語(yǔ)

在LNG接收站中，對(duì)于溫度計(jì)套管的選型，應(yīng)基于項(xiàng)目實(shí)際工藝條件，充分考慮其套管類型、連接方式以及材質(zhì)等，保證能夠滿足強(qiáng)度和振動(dòng)計(jì)算，連接方式可靠，方便檢維修以及長(zhǎng)期安全穩(wěn)定使用。

綜上，溫度計(jì)套管應(yīng)優(yōu)先選用錐形整體鉆孔式。當(dāng)無(wú)法通過(guò)振動(dòng)頻率計(jì)算時(shí)，可考慮選用直形整體鉆孔式，連接方式首選法蘭連接。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)無(wú)腐蝕性或腐蝕性極低時(shí)，優(yōu)先選用316/316L不銹鋼；當(dāng)被測(cè)介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)時(shí)（如海水等），宜選用蒙乃爾合金或哈氏合金。