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工程设计中双金属温度计等温度元件插入深度的选择

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 摘 要: 简述了管道上和设备上温度元件设计的通用原则和规范; 探讨了温度元件在管道上和设备上的插入深度。

 
1 管道安装的热元件插入深度
1.1 温度元件设计的通用原则
        (1) HG/T20507 - 2000《化工自控设计规定(一)》第1.1.3条第 1 款指出:检测元件插入长度的选择应以检测元件插至被测介质温度变化灵敏
具有代表性的位置为原则。一般当垂直安装或与管壁成 45 度角时,检测元件的末端应位于管子中间的三分之一区域内,但一般情况下,为了便于互换,往往整个装置宜统一选择一至二档长度 [1] 。
 
        (2)SH3521 - 1999《石油化工仪表工程施工技术规程》中指出:4. 4. 1 测温元件(如热电偶、热电阻、双金属温度计、压力式温度计等),应安装在能准确反映介质温度的位置。4. 4. 2 安装在工艺管道上的测温元件应与管道中心线垂直或倾斜 45°,插入深度应大于250 mm 或处于管道中心,插入方向宜与被测介质逆向或垂直 [2] 。
 
        (3)SH3104 - 2000《石油化工仪表安装设计规范》中列出了具体的计算公式:温度计插入深度(L) = 仪表连接头长度(L 1 )+ 管壁厚度(δ) + 浸没长度(U)浸没长度(U):测量气体时,U 1 = 温度计敏感段长度(L s ) +25 mm;测量液体时,U 1 = 温度计敏感段长度(L s ) +40 mm(热电偶的敏感长度约为 20 mm,热电阻和双金属温度计的敏感长度约为 40 mm,压力式温度计的敏感长度为温包长度)
 
        (4)根据《自控安装图册 HG/T 21581 - 95》热电偶、热电阻在钢管道上垂直安装图 HK01 - 19,仪表连接头长度为 60 mm 和 120mm 2 种。60 mm(管道不带保温层)和 120 mm(管道带保温层)温度元件的插入深度见图 1  。
热电偶、热电阻在钢管道上垂直安装示意
1.2 示例
        如在某项目中,有一温度元件(热电阻)的测量参数条件如下:介质为循环给水,操作温度 20 ℃,操作压力 0. 2 MPa,测量范围 0 ~40 ℃,计算该温度元件的插入深度。根据工艺专业对仪表专业的条件,DN100 mm 的管道规格为 108 mm ×4 mm 且该管道有保温层,因此仪表连接头长度为 120 mm。根据上述公式,该温度元件的插入深度为:仪表连接头长度
(L 1 ) + 管壁厚度(δ) + 浸没长度(U) = 120 + 4 +(40 +25) = 189 mm,圆整后,该温度元件的插入深度为 200 mm。
 
1.3 讨论
        (1)SH3521 -1999《石油化工仪表工程施工技术规程》[2] 的 4. 4. 2 条,要求插入深度应大于 250mm 或处于管道中心,笔者认为并不合适。首先,SH3521 - 1999 已经被 SH3521 - 2007 替代,新标准从 2007 年 7 月 1 日开始实施,新标准的第 5. 2.1 条中指出:温度取源部件的安装位置应选在介质温度变化灵敏、具有代表性和便于观察的地方,不宜选在阀门等阻力部件的附近和介质流束呈死角处以及振动较大的地方;其次,SH3104 - 2000 中有具体数值要求,在 HG/T20507 - 2000 1. 1. 3 的要求是“检测元件的末端应位于管子中间的三分之一区域内”,插入深度过长容易引起热元件的折断。
 
        (2)API RP551 - 1993 要求热元件的检测元件终端到管壁的长 度 最 小 为 50 mm,最 大 为 250mm [5] 。这个最大值比 SH3104 - 2000 规定的数值要小,但是与计算公式的计算结果相符。因此,按照SH3104 -2000 中或 API RP551 - 1993 来确定安装在管道上热元件的插入深度都是可行的。
 
        (3)有些项目不是普通的钢管道,需要特殊考虑。例如,由中国五环工程有限公司设计的瓮福紫金磷酸装置中,测量介质为酸性循环水、氟硅酸、洗涤水、稀磷酸、磷矿浆、反应料浆、磷酸淤浆、磷石膏料浆、浓磷酸、稀硫酸,其管道采用的是钢骨架 PE复合管,不能直接在管道上开孔,而需要在管道上接一段 PE 复合管的异径三通,再通过法兰与热电阻、热电偶相连。此时温度元件的插入深度应考虑 PE复合管异径三通的长度。
 
        (4)如果测量高压管线内介质的温度,采用仪表连接头并带耐压套管的测量方式时,参考我国早些年颁布的《高压管、管件及紧固件通用设计》中H22 -67 电阻温度计套管的要求,则温度元件插入深度的确定与普通管道有很大的不同:①普通管线上的温度元件是在其插入深度确定之后,再根据该深度确定与之配套的温度计套管长度,而高压管线上的温度元件,其插入深度和套管长度的确定,正好与此相反(即先确定套管长度,再根据其长度确定温度元件的插入深度);②高压管线上温度元件的插入深度为定值,不可随意圆整。电阻温度计固定套管见图 2。
电阻温度计固定套管
        (5)在项目的实施过程中,曾出现过其他原因导致高压管线上的温度元件插入深度不够的情况。如某项目中,设计人员在设计过程中没有考虑到高压管线上管道的法兰需要与鞍座相连,鞍座再与管道相连,如此管道法兰面到管道的距离就已经大大超过仪表给管道提条件时要求的 150 mm,再加上高压大管道的壁厚大于 40 mm,造成这些管线上温度元件插入深度不够。
 
        (6)若是采用高压法兰接口的安装形式,温度元件必须带耐压的外套管,耐压的外套管与安装法兰须制成一体形式,由温度元件制造商配套,温度元件的插入深度由制造商确定。
 
2 设备上安装的热元件插入深度
2.1 热元件插入深度的规范
 
        (1) HG/T20507 - 2000《化工自控设计规定(一)》第 1. 1. 3 条第 2 款指出:在烟道、炉膛及绝热材料砌体设备上安装时,应按实际需要选用。一般情况下,为了便于互换,可选择深入内部 250 mm 长度 。
 
        (2)SH3104 - 2000《石油化工仪表安装设计规范》第3.0.2 条第 5 款指出:测炉膛温度的热电偶保护管末端超过炉管的长度应为 50 ~100 mm;水平安装的热电偶插入炉内的悬臂长度不宜超过 600 mm ;第3.0.2 条第 7 款设备上热电偶或热电阻插入设备内的长度不得小于150 mm;第8 款耐磨热电偶保护管末端露出设备上外套管的长度应为100 ~150 mm;第9款储罐上温度计的插入深度不宜小于500 mm。
        (3)API RP551 - 1993 没有关于在设备上安装的热元件插入深度的描述。
        (4)在 Topse 的合成氨工艺包中,有一段关于设备安装的热元件插入深度的要求,可供参考,原文如下:温度元件在充满液体的容器的插入深度应为300 mm,在充满气体的容器的插入深度应遵循下表(表 1)。
设备上安装的热元件插入深度
2.2 讨论
        (1)设备安装的热元件插入深度如果在规范中有相应的描述,可按规范执行;如果规范中没有说明的情况,可参照上述 Topse 的要求来确定。
        (2)需要注意的是,当在炉膛中插入深度过长时,应要求设备专业提供温度计套管,以用来避免温度计过长而造成的折断。炉膛内温度计套管见图 3。
炉膛内温度计套管详图
2.3 示例
        由中国五环工程有限公司设计的河南龙宇醋酸项目 CO 变换工序中,工艺上要求分别能测量变换炉( R04101) 内 距 炉 内 壁 1 100 mm、2 270 mm、3 400 mm处的温度,则所选的多点式铠装热电偶的插入深度应为 1 100 mm、2 270 mm、3 400 mm。(该插入深度均已包括设备外接口的长度)。
 
        在项目实施的过程中,曾经发生过球形设备上温度元件的插入深度不够的情况,原因是在设计过程中没有注意到设备管口的接管长度,仪表专业给设备专业提条件时一般要求设备接管距离为 250mm,而有的项目,设备专业在设计球型设备时,把温度元件的接管引出 1 m 多,为的是与液位仪表的接口能在同一平面上。如果在设备运到现场后才发现该问题,若现场可以动火,还能在现场改短温度接口,对于一些不允许动火的现场,则只能重新采购插入深度在 1 m 以上的温度元件。
 
3 结语
        (1)正确确定温度元件的插入深度至关重要,确定适当的插入深度可有效地减小测温误差。
        (2)在测量较细管道介质温度时可采用横截面直径较小的感温元件,如铠装热电偶,以减小插入深度,方便安装;也可采用斜插或加扩大管的方式来满足工艺上所要求的插入深度。

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