Projekt koszulki termometrycznej (thermowell) utrzymuje czujnik temperatury w kontakcie z medium procesowym bez naruszania bariery ciśnieniowej i bez ryzyka, że drgania wywołane przepływem odłamią koszulkę wewnątrz pracującej rury. Koszulka termometryczna to rurka zamknięta na końcu, szczelna ciśnieniowo, wprowadzana przez króciec do rury lub zbiornika.
Czujnik RTD lub termopara znajduje się w otworze wewnątrz koszulki, nie mając bezpośredniego kontaktu z medium procesowym, dzięki czemu można go wymienić podczas pracy przy zachowanej szczelności procesu. Ta wygoda pociąga za sobą dwa koszty: zwiększone opóźnienie termiczne oraz ryzyko zmęczeniowe napędzane przez dynamikę płynu, a nie przez ciśnienie czy korozję.
Bez koszulki termometrycznej wymiana uszkodzonego czujnika oznacza zatrzymanie procesu i przerwanie szczelności. Koszulka termometryczna zmienia to w krótką operację: odkręcić głowicę, wysunąć element, zamontować nowy. Chroni też czujnik przed ciśnieniem procesu, medium korozyjnym oraz uszkodzeniami spowodowanymi przez zawieszone cząstki lub przepływ o dużej prędkości.
Kosztem jest czas reakcji: sprzężony przez ściankę koszulki i szczelinę powietrzną, RTD zamontowany w koszulce reaguje wolniej niż czujnik „na goło”, co wymaga uwzględnienia opóźnienia w szybkich pętlach regulacji.
Projekt koszulki termometrycznej to obliczenie, nie wybór z katalogu, z powodu drgań wywołanych przepływem. Gdy płyn omija cylindryczną koszulkę, naprzemiennie odrywają się wiry po obu stronach, zgodnie z zależnością Strouhala. Przy określonej prędkości częstotliwość odrywania wirów zbiega się z częstotliwością własną koszulki i następuje oscylacja rezonansowa.
Koszulki są smukłymi strukturami wspornikowymi z dużą masą końcową wystawioną na przepływ, więc rezonans daje zmęczenie wysokocyklowe u nasady, tam gdzie koszulka jest gwintowana lub spawana do przyłącza procesowego.
Awarie są nagłe: koszulka odłamuje się i przemieszcza w dół strumienia, a połączenie zostaje otwarte, jest to rozpoznana przyczyna nieplanowanej utraty bariery ciśnieniowej w usługach o dużych prędkościach.
ASME PTC 19.3 TW formalizuje mechaniczny projekt koszulek termometrycznych przeciwko rezonansowi wywołanemu przepływem, zastępując starszy materiał informacyjny w ASME PTC 19.3 obowiązkowym obliczeniem opartym na naprężeniach.
Porównuje częstotliwość odrywania wirów przy maksymalnej prędkości procesu z częstotliwością własną i wymaga marginesu: częstotliwość odrywania musi pozostawać poniżej około 0,8 częstotliwości własnej, aby uniknąć rezonansu nawet przy maksymalnie wiarygodnym przepływie. Sprawdza też naprężenia u nasady względem granic zmęczeniowych i oddzielnie kontroluje tryb rezonansowy wzdłużny wywołany siłą oporu występujący w pobliżu połowy tej prędkości.
Wejściami są właściwości płynu, maksymalna prędkość, dane materiałowe, geometria trzonu oraz długość wprowadzenia; wynikiem jest zaliczenie lub niezaliczenie oraz maksymalna dopuszczalna prędkość.
Profil trzonu jest głównym dźwignią do spełnienia kryterium częstotliwości, ponieważ częstotliwość własna zależy od rozkładu sztywności wzdłuż długości.
| Typ trzonu | Profil | Częstotliwość własna | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Prosty | Stała średnica od nasady do końcówki | Najniższa dla danej średnicy nasady | Niskie prędkości, niskie ciśnienia; najłatwiejszy do obróbki |
| Stożkowy | Średnica stopniowo maleje ku końcówce | Najwyższa, najlepszy stosunek wytrzymałości do masy | Wysokie prędkości lub wysokie ciśnienia; najczęściej stosowany w wymagających warunkach |
| Schodkowy | Jedno- lub dwustopniowe zmniejszenie średnicy | Średnia; koncentracja naprężeń przy stopniu | Kompromis wynikający z kosztów; mniej preferowany tam, gdzie margines jest niewielki |
Stożkowe koszulki dają najwięcej możliwości spełnienia wymagań PTC 19.3 TW przy wysokich prędkościach: usunięcie masy w kierunku końcówki zwiększa częstotliwość własną przy jednoczesnym zachowaniu dużej wytrzymałości u nasady. Konstrukcje schodkowe są tańsze, ale zmiana średnicy tworzy koncentrator naprężeń, który norma sprawdza wprost.
Długość wprowadzenia, czyli podparta część wystawiona na przepływ, to drugi kluczowy parametr: dłuższe wprowadzenie poprawia dokładność, przesuwając końcówkę poza warstwę przyścienną, ale znacznie obniża częstotliwość własną. Zaniżenie przyjętej prędkości jest częstą przyczyną awarii w terenie.
Koszulka pełni wyłącznie zadanie mechaniczne; pomiar wykonuje zatopiony w niej RTD lub termopara. Dopasowanie czujnika do otworu wpływa na czas odpowiedzi: luźne dopasowanie z przerwą powietrzną reaguje wolno i może wykazywać dryft, podczas gdy ciasne osadzenie z dociskiem sprężynowym reaguje wielokrotnie szybciej.
Czujnik i koszulka zwykle są zamawiane oddzielnie, ale powinny być specyfikowane razem, aby średnica osłony pasowała do otworu. Zarejestrowanie parametrów częstotliwości odrywania wirów oraz specyfikacji czujnika w systemie utrzymania ruchu, takim jak Fabrico , zapewnia, że właściwa część zamienna będzie dostępna przy oznaczeniu przyrządu podczas wyłączenia.
Materiał koszulki dobiera się według tych samych zasad odporności na korozję i temperaturę co rurociąg, który przebija, najczęściej używa się stali nierdzewnej 316/316L, a w usługach korozyjnych lub wysokotemperaturowych stosuje się stopy takie jak Hastelloy czy Inconel. Moduł sprężystości (moduł Younga) i gęstość wpływają bezpośrednio na obliczenia częstotliwości, więc zmiana materiału wymaga ponownego sprawdzenia.
Koszulki termometryczne są elementami utrzymującymi ciśnienie i powinny być klasyfikowane tak jak przyłączana flansza, podobnie jak zasuwę dobiera się do pełnego ciśnienia systemowego.
Poprawny montaż oznacza ustawienie koszulek schodkowych i stożkowych zgodnie z rysunkiem, dokręcenie połączeń momentem zgodnie ze specyfikacją oraz potwierdzenie prędkości w linii względem założeń projektowych przed uruchomieniem, ponieważ przekierowanie rurociągu lub wzrost natężenia przepływu może po latach zwiększyć prędkość ponad obliczony limit.
Okresowe inspekcje pod kątem punktowego korodowania, erozji i luzów w połączeniu pozwalają wykryć konstrukcję z niewystarczającym marginesem zanim dojdzie do awarii. Sąsiednia stacja pomiaru przepływu z płytą rozprężną (orifice plate) może służyć jako odniesienie do potwierdzenia, że prędkość odpowiada projektowi.
Rezonans wywołany przepływem przy częstotliwości odrywania wirów powoduje zmęczenie wysokocyklowe u nasady, co prowadzi do nagłej awarii. Końcówka zostaje utracona w dół strumienia, a połączenie pozostaje otwarte, co może skutkować niekontrolowanym uwolnieniem medium lub uszkodzeniem sprzętu.
Ma zastosowanie tam, gdzie występuje istotna prędkość przepływu, praktycznie wszystkie linie ciekłe i większość gazowych. Należy je uruchomić zawsze, gdy warunki są niepewne lub uległy zmianie.
Krótsze wprowadzenie zwiększa częstotliwość własną i margines zmęczeniowy, ale jednocześnie zbliża końcówkę pomiarową do ścianki rury, zwiększając błąd przewodzenia i spowalniając odpowiedź. Długość wprowadzenia to kompromis między dokładnością a marginesem mechanicznym.
Czasami, przez ponowne uruchomienie obliczenia z nową prędkością. Jeśli margines nie jest wystarczający, naprawą zwykle jest krótsze wprowadzenie, trzon stożkowy, sztywniejszy materiał lub większa średnica nasady.
Zaloguj
Blog
