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閱讀：62發(fā)布時(shí)間：2025-1-26
熱套管喚醒頻率計(jì)算
什么是熱套管喚醒頻率計(jì)算？
喚醒頻率計(jì)算用于根據(jù)工藝條件確定或證明熱套管所需的尺寸和適用性。流體將形成尾流，稱為“馮卡門徑跡”。
尾流具有特定頻率，它是熱套管直徑和流體速度的函數(shù)。如果尾流頻率與熱套管的自然頻率一致，井會振動(dòng)并導(dǎo)致?lián)p壞。
熱電偶
熱電偶套管主要與熱電偶、RTD（電阻溫度傳感器）和雙金屬溫度計(jì)一起用于需要在高壓（75 psig 以上）或惡劣環(huán)境中測量溫度的應(yīng)用。
它們還用于隔離，因此無需關(guān)閉過程即可更換傳感器。熱套管由實(shí)心棒料加工而成。
安全工作壓力取決于井材、操作溫度和流動(dòng)介質(zhì)的速度。
熱套管振動(dòng)
當(dāng)流體流過熱套管時(shí)，流體動(dòng)量的變化會在井后產(chǎn)生湍流尾流。
渦流在此尾流中形成，并從井的兩側(cè)流出。渦流脫落頻率（或尾流頻率）與流速成線性關(guān)系，與熱套管直徑成反比。
這些脫落的渦流施加在熱電偶套管上，一個(gè)由兩個(gè)分量組成的周期性力 - (i) 升力，垂直于流動(dòng)方向，以尾流頻率振蕩，以及 (ii) 較小的阻力，平行于流動(dòng)，以兩倍的頻率振蕩喚醒頻率。
這些渦流引起的力會導(dǎo)致熱套管振動(dòng)，通常很小，振動(dòng)的幅度通?？梢院雎圆挥?jì)。
但是，隨著尾流頻率 (fw) 接近熱套管的固有頻率 (fn)（在 20% 以內(nèi)），它會偏移并鎖定到固有頻率。
當(dāng) fw = fn 時(shí)，熱套管進(jìn)入共振狀態(tài)，振動(dòng)力迅速增加。由此產(chǎn)生的振動(dòng)會導(dǎo)致井的機(jī)械故障。
Murdock 計(jì)算（和配套的 ASME PTC 19.3）僅將振蕩升力視為熱套管振動(dòng)的原因。尾流與固有頻率之比被限制為 0.8，以消除共振的可能性。
雖然振蕩阻力很小，但它可以迫使熱套管以較低的速度共振，因?yàn)樗l(fā)生在兩倍的尾流頻率。
對于高密度流體（液體和高壓蒸汽），Murdock 分析是不夠的。當(dāng)包含振蕩阻力分量時(shí)，速度額定值最多可降低 50%。
此處包括的計(jì)算被修改為包括由于振蕩阻力引起的在線共振、放大率的校正和使用井的實(shí)際自然頻率而不是估計(jì)值。
這些計(jì)算結(jié)果只能用作選擇正確熱套管的指南。其他變量，如腐蝕，應(yīng)進(jìn)行評估并影響決策。
熱套管速度計(jì)算
當(dāng)流體流過熱套管時(shí)，會在井的下游尾流中形成低壓渦流。
這些渦流從熱電偶的另一側(cè)流出，由此產(chǎn)生的壓差在熱套管上產(chǎn)生兩個(gè)周期性的力：
(i) 振蕩升力，橫向于頻率 fs 的流體流動(dòng)
(ii) 振蕩阻力，與頻率 2fs 的流體流動(dòng)一致
渦旋脫落可能發(fā)生在 50Hz 到 1500Hz 的頻率下。渦旋脫落頻率（Strouhal 頻率）隨流體速度線性增加，但力隨速度的平方增加。
當(dāng) Strouhal 頻率接近熱套管的自然頻率時(shí)，它會鎖定到自然頻率，從而導(dǎo)致共振，力大大放大。
為防止鎖定，熱套管的固有頻率必須高于同軸或橫向共振條件。
只有在共振條件下的循環(huán)應(yīng)力小到可以接受的情況下，才能通過串聯(lián)共振運(yùn)行。
發(fā)生共振時(shí)的流體速度稱為臨界速度。熱套管的每個(gè)固有頻率有兩個(gè)速度臨界值：一個(gè)描述橫向，另一個(gè)描述在線響應(yīng)。
由于軸向力以兩倍于橫向力的頻率波動(dòng)，相應(yīng)的臨界速度大約是橫向共振所需的一半。
如果熱電偶套管的固有頻率與 fs 或 2fs 重疊，則可能會出現(xiàn)大幅共振的振幅累積。熱套管故障的主要原因是共振引起的疲勞。
足夠高的阻尼水平可以允許熱套管在串聯(lián)甚至橫向共振頻率下工作。
除了頻率限制之外，熱套管內(nèi)的應(yīng)力和施加的力對于評估熱套管對特定過程應(yīng)用的適用性也很關(guān)鍵。要評估的 4 個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)是：
1：頻率限制：
熱套管的共振頻率必須足夠高，以便流體流動(dòng)不會激發(fā)破壞性振蕩。穩(wěn)態(tài) (ss) 流體速度應(yīng)滿足以下條件之一：
fs(ss) < 0.4•fn 或 0.6•fn < fs(ss) < 0.8•fn
2：靜態(tài)應(yīng)力限制：
穩(wěn)態(tài)應(yīng)力是流體靜壓力和熱套管上的非振蕩阻力的結(jié)果，并在應(yīng)力位置計(jì)算得出。
如果熱套管被部分屏蔽或具有減小的，則必須在進(jìn)行計(jì)算時(shí)考慮這些因素。
設(shè)計(jì)速度下熱套管上的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力不得超過 Von Mises 標(biāo)準(zhǔn)確定的允許應(yīng)力。
3：動(dòng)態(tài)應(yīng)力限制：
動(dòng)態(tài)應(yīng)力是導(dǎo)致直線振蕩的周期性阻力和導(dǎo)致橫向振蕩的周期性升力的結(jié)果。
如果熱套管打算在高于串聯(lián)速度臨界值的情況下運(yùn)行，則在達(dá)到設(shè)計(jì)速度的過程中通過該點(diǎn)時(shí)，需要考慮串聯(lián)諧振處的循環(huán)應(yīng)力。
動(dòng)態(tài)應(yīng)力不得超過允許疲勞應(yīng)力極限。計(jì)算放大系數(shù)并將其應(yīng)用于循環(huán)應(yīng)力方程，然后在設(shè)計(jì)速度下計(jì)算循環(huán)阻力和升力。
組合升力和阻力應(yīng)力不得超過疲勞應(yīng)力極限。
4：靜水壓力限制：
在工作溫度下，外部壓力不得超過熱套管、柄或法蘭（或螺紋）的最小壓力額定值。
熱套管標(biāo)準(zhǔn)
ASME PTC19.3-1974 多年來一直是設(shè)計(jì)大多數(shù)熱電偶套管的標(biāo)準(zhǔn)。
該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于錐形型材，并沒有考慮由振蕩阻力引起的同軸共振引起的應(yīng)力。
ASME PTC19.3TW-2010 是 2010 年 7 月發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)，用于取代 1974 年標(biāo)準(zhǔn)。
它使用更的方法來評估熱電偶套管對特定應(yīng)用的適用性，并且適用于錐形、直形和縮小的輪廓。
熱套管喚醒頻率計(jì)算
熱套管喚醒頻率計(jì)算通常在熱套管制造之前進(jìn)行。
它們確保熱套管設(shè)計(jì)足夠堅(jiān)固，可以應(yīng)對過程介質(zhì)產(chǎn)生的各種應(yīng)力和應(yīng)變。
喚醒頻率計(jì)算數(shù)據(jù)可用于以下基本參數(shù)：
●壓力
●溫度
●速度
●粘度
●密度
任何熱套管故障都將發(fā)生在應(yīng)力點(diǎn)，即法蘭/軸接頭之間。除了使用速度環(huán)（這會導(dǎo)致它們自身的問題，并且在當(dāng)前的 ASME PTC 19.3 TW-2010 標(biāo)準(zhǔn)中不推薦使用）之外，這在傳統(tǒng)上意味著縮短或增加熱套管的厚度。
這兩種技術(shù)都會顯著增加響應(yīng)時(shí)間并且不利于溫度測量性能。
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