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      工程設計中雙金屬溫度計等溫度元件插入深度的選擇

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       摘 要: 簡述了管道上和設備上溫度元件設計的通用原則和規范; 探討了溫度元件在管道上和設備上的插入深度。lDf壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

       
      1 管道安裝的熱元件插入深度
      1.1 溫度元件設計的通用原則
              (1) HG/T20507 - 2000《化工自控設計規定(一)》第1.1.3條第 1 款指出:檢測元件插入長度的選擇應以檢測元件插至被測介質溫度變化靈敏
      具有代表性的位置為原則。一般當垂直安裝或與管壁成 45 度角時,檢測元件的末端應位于管子中間的三分之一區域內,但一般情況下,為了便于互換,往往整個裝置宜統一選擇一至二檔長度 [1] 。
       
              (2)SH3521 - 1999《石油化工儀表工程施工技術規程》中指出:4. 4. 1 測溫元件(如熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計等),應安裝在能準確反映介質溫度的位置。4. 4. 2 安裝在工藝管道上的測溫元件應與管道中心線垂直或傾斜 45°,插入深度應大于250 mm 或處于管道中心,插入方向宜與被測介質逆向或垂直 [2] 。
       
              (3)SH3104 - 2000《石油化工儀表安裝設計規范》中列出了具體的計算公式:溫度計插入深度(L) = 儀表連接頭長度(L 1 )+ 管壁厚度(δ) + 浸沒長度(U)浸沒長度(U):測量氣體時,U 1 = 溫度計敏感段長度(L s ) +25 mm;測量液體時,U 1 = 溫度計敏感段長度(L s ) +40 mm(熱電偶的敏感長度約為 20 mm,熱電阻和雙金屬溫度計的敏感長度約為 40 mm,壓力式溫度計的敏感長度為溫包長度)
       
              (4)根據《自控安裝圖冊 HG/T 21581 - 95》熱電偶、熱電阻在鋼管道上垂直安裝圖 HK01 - 19,儀表連接頭長度為 60 mm 和 120mm 2 種。60 mm(管道不帶保溫層)和 120 mm(管道帶保溫層)溫度元件的插入深度見圖 1  。
      熱電偶、熱電阻在鋼管道上垂直安裝示意
      1.2 示例
              如在某項目中,有一溫度元件(熱電阻)的測量參數條件如下:介質為循環給水,操作溫度 20 ℃,操作壓力 0. 2 MPa,測量范圍 0 ~40 ℃,計算該溫度元件的插入深度。根據工藝專業對儀表專業的條件,DN100 mm 的管道規格為 108 mm ×4 mm 且該管道有保溫層,因此儀表連接頭長度為 120 mm。根據上述公式,該溫度元件的插入深度為:儀表連接頭長度
      (L 1 ) + 管壁厚度(δ) + 浸沒長度(U) = 120 + 4 +(40 +25) = 189 mm,圓整后,該溫度元件的插入深度為 200 mm。
       
      1.3 討論
              (1)SH3521 -1999《石油化工儀表工程施工技術規程》[2] 的 4. 4. 2 條,要求插入深度應大于 250mm 或處于管道中心,筆者認為并不合適。首先,SH3521 - 1999 已經被 SH3521 - 2007 替代,新標準從 2007 年 7 月 1 日開始實施,新標準的第 5. 2.1 條中指出:溫度取源部件的安裝位置應選在介質溫度變化靈敏、具有代表性和便于觀察的地方,不宜選在閥門等阻力部件的附近和介質流束呈死角處以及振動較大的地方;其次,SH3104 - 2000 中有具體數值要求,在 HG/T20507 - 2000 1. 1. 3 的要求是“檢測元件的末端應位于管子中間的三分之一區域內”,插入深度過長容易引起熱元件的折斷。
       
              (2)API RP551 - 1993 要求熱元件的檢測元件終端到管壁的長 度 非常 小 為 50 mm,非常 大 為 250mm [5] 。這個非常大值比 SH3104 - 2000 規定的數值要小,但是與計算公式的計算結果相符。因此,按照SH3104 -2000 中或 API RP551 - 1993 來確定安裝在管道上熱元件的插入深度都是可行的。
       
              (3)有些項目不是普通的鋼管道,需要特殊考慮。例如,由中國五環工程有限公司設計的甕福紫金磷酸裝置中,測量介質為酸性循環水、氟硅酸、洗滌水、稀磷酸、磷礦漿、反應料漿、磷酸淤漿、磷石膏料漿、濃磷酸、稀硫酸,其管道采用的是鋼骨架 PE復合管,不能直接在管道上開孔,而需要在管道上接一段 PE 復合管的異徑三通,再通過法蘭與熱電阻、熱電偶相連。此時溫度元件的插入深度應考慮 PE復合管異徑三通的長度。
       
              (4)如果測量高壓管線內介質的溫度,采用儀表連接頭并帶耐壓套管的測量方式時,參考我國早些年頒布的《高壓管、管件及緊固件通用設計》中H22 -67 電阻溫度計套管的要求,則溫度元件插入深度的確定與普通管道有很大的不同:①普通管線上的溫度元件是在其插入深度確定之后,再根據該深度確定與之配套的溫度計套管長度,而高壓管線上的溫度元件,其插入深度和套管長度的確定,正好與此相反(即先確定套管長度,再根據其長度確定溫度元件的插入深度);②高壓管線上溫度元件的插入深度為定值,不可隨意圓整。電阻溫度計固定套管見圖 2。
      電阻溫度計固定套管
              (5)在項目的實施過程中,曾出現過其他原因導致高壓管線上的溫度元件插入深度不夠的情況。如某項目中,設計人員在設計過程中沒有考慮到高壓管線上管道的法蘭需要與鞍座相連,鞍座再與管道相連,如此管道法蘭面到管道的距離就已經大大超過儀表給管道提條件時要求的 150 mm,再加上高壓大管道的壁厚大于 40 mm,造成這些管線上溫度元件插入深度不夠。
       
              (6)若是采用高壓法蘭接口的安裝形式,溫度元件必須帶耐壓的外套管,耐壓的外套管與安裝法蘭須制成一體形式,由溫度元件制造商配套,溫度元件的插入深度由制造商確定。
       
      2 設備上安裝的熱元件插入深度
      2.1 熱元件插入深度的規范
       
              (1) HG/T20507 - 2000《化工自控設計規定(一)》第 1. 1. 3 條第 2 款指出:在煙道、爐膛及絕熱材料砌體設備上安裝時,應按實際需要選用。一般情況下,為了便于互換,可選擇深入內部 250 mm 長度 。
       
              (2)SH3104 - 2000《石油化工儀表安裝設計規范》第3.0.2 條第 5 款指出:測爐膛溫度的熱電偶保護管末端超過爐管的長度應為 50 ~100 mm;水平安裝的熱電偶插入爐內的懸臂長度不宜超過 600 mm ;第3.0.2 條第 7 款設備上熱電偶或熱電阻插入設備內的長度不得小于150 mm;第8 款耐磨熱電偶保護管末端露出設備上外套管的長度應為100 ~150 mm;第9款儲罐上溫度計的插入深度不宜小于500 mm。
              (3)API RP551 - 1993 沒有關于在設備上安裝的熱元件插入深度的描述。
              (4)在 Topse 的合成氨工藝包中,有一段關于設備安裝的熱元件插入深度的要求,可供參考,原文如下:溫度元件在充滿液體的容器的插入深度應為300 mm,在充滿氣體的容器的插入深度應遵循下表(表 1)。
      設備上安裝的熱元件插入深度
      2.2 討論
              (1)設備安裝的熱元件插入深度如果在規范中有相應的描述,可按規范執行;如果規范中沒有說明的情況,可參照上述 Topse 的要求來確定。
              (2)需要注意的是,當在爐膛中插入深度過長時,應要求設備專業提供溫度計套管,以用來避免溫度計過長而造成的折斷。爐膛內溫度計套管見圖 3。
      爐膛內溫度計套管詳圖
      2.3 示例
              由中國五環工程有限公司設計的河南龍宇醋酸項目 CO 變換工序中,工藝上要求分別能測量變換爐( R04101) 內 距 爐 內 壁 1 100 mm、2 270 mm、3 400 mm處的溫度,則所選的多點式鎧裝熱電偶的插入深度應為 1 100 mm、2 270 mm、3 400 mm。(該插入深度均已包括設備外接口的長度)。
       
              在項目實施的過程中,曾經發生過球形設備上溫度元件的插入深度不夠的情況,原因是在設計過程中沒有注意到設備管口的接管長度,儀表專業給設備專業提條件時一般要求設備接管距離為 250mm,而有的項目,設備專業在設計球型設備時,把溫度元件的接管引出 1 m 多,為的是與液位儀表的接口能在同一平面上。如果在設備運到現場后才發現該問題,若現場可以動火,還能在現場改短溫度接口,對于一些不允許動火的現場,則只能重新采購插入深度在 1 m 以上的溫度元件。
       
      3 結語
              (1)正確確定溫度元件的插入深度至關重要,確定適當的插入深度可有效地減小測溫誤差。
              (2)在測量較細管道介質溫度時可采用橫截面直徑較小的感溫元件,如鎧裝熱電偶,以減小插入深度,方便安裝;也可采用斜插或加擴大管的方式來滿足工藝上所要求的插入深度。

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