热套管唤醒频率计算

什么是热套管唤醒频率计算？

唤醒频率计算用于根据工艺条件确定或证明热套管所需的尺寸和适用性。流体将形成尾流，称为“冯卡门径迹”。

尾流具有特定频率，它是热套管直径和流体速度的函数。如果尾流频率与热套管的自然频率一致，井会振动并导致损坏。

热电偶

热电偶套管主要与热电偶、RTD（电阻温度传感器）和双金属温度计一起用于需要在高压（75 psig 以上）或恶劣环境中测量温度的应用。

它们还用于隔离，因此无需关闭过程即可更换传感器。热套管由实心棒料加工而成。

安全工作压力取决于井材、操作温度和流动介质的速度。

热套管振动
当流体流过热套管时，流体动量的变化会在井后产生湍流尾流。

涡流在此尾流中形成，并从井的两侧流出。涡流脱落频率（或尾流频率）与流速成线性关系，与热套管尖端直径成反比。

这些脱落的涡流施加在热电偶套管上，一个由两个分量组成的周期性力 - (i) 升力，垂直于流动方向，以尾流频率振荡，以及 (ii) 较小的阻力，平行于流动，以两倍的频率振荡唤醒频率。

这些涡流引起的力会导致热套管振动，通常很小，振动的幅度通常可以忽略不计。

但是，随着尾流频率 (fw) 接近热套管的固有频率 (fn)（在 20% 以内），它会偏移并锁定到固有频率。

当 fw = fn 时，热套管进入共振状态，振动力迅速增加。由此产生的振动会导致井的机械故障。

Murdock 计算（和配套的 ASME PTC 19.3）仅将振荡升力视为热套管振动的原因。尾流与固有频率之比被限制为最大 0.8，以消除共振的可能性。

虽然振荡阻力很小，但它可以迫使热套管以较低的速度共振，因为它发生在两倍的尾流频率。

对于高密度流体（液体和高压蒸汽），Murdock 分析是不够的。当包含振荡阻力分量时，速度额定值最多可降低 50%。

此处包括的计算被修改为包括由于振荡阻力引起的在线共振、放大率的校正和使用井的实际自然频率而不是估计值。
这些计算结果只能用作选择正确热套管的指南。其他变量，如腐蚀，应进行评估并影响决策。

热套管速度计算

当流体流过热套管时，会在井的下游尾流中形成低压涡流。

这些涡流从热电偶的另一侧流出，由此产生的压差在热套管上产生两个周期性的力：

(i) 振荡升力，横向于频率 fs 的流体流动
(ii) 振荡阻力，与频率 2fs 的流体流动一致

涡旋脱落可能发生在 50Hz 到 1500Hz 的频率下。涡旋脱落频率（Strouhal 频率）随流体速度线性增加，但力随速度的平方增加。

当 Strouhal 频率接近热套管的自然频率时，它会锁定到自然频率，从而导致共振，力大大放大。

为防止锁定，热套管的固有频率必须高于同轴或横向共振条件。

只有在共振条件下的循环应力小到可以接受的情况下，才能通过串联共振运行。

发生共振时的流体速度称为临界速度。热套管的每个固有频率有两个速度临界值：一个描述横向，另一个描述在线响应。
由于轴向力以两倍于横向力的频率波动，相应的临界速度大约是横向共振所需的一半。

如果热电偶套管的固有频率与 fs 或 2fs 重叠，则可能会出现大幅共振的振幅累积。热套管故障的主要原因是共振引起的疲劳。

足够高的阻尼水平可以允许热套管在串联甚至横向共振频率下工作。

除了频率限制之外，热套管内的应力和施加的力对于评估热套管对特定过程应用的适用性也很关键。要评估的 4 个定量标准是：

1：频率限制：

热套管的共振频率必须足够高，以便流体流动不会激发破坏性振荡。稳态 (ss) 流体速度应满足以下条件之一：

fs(ss) < 0.4•fn 或 0.6•fn < fs(ss) < 0.8•fn

2：静态应力限制：

稳态应力是流体静压力和热套管上的非振荡阻力的结果，并在最大应力位置计算得出。

如果热套管被部分屏蔽或具有减小的尖端，则必须在进行计算时考虑这些因素。
设计速度下热套管上的最大稳态应力不得超过 Von Mises 标准确定的允许应力。

3：动态应力限制：

动态应力是导致直线振荡的周期性阻力和导致横向振荡的周期性升力的结果。

如果热套管打算在高于串联速度临界值的情况下运行，则在达到设计速度的过程中通过该点时，需要考虑串联谐振处的循环应力。

最大动态应力不得超过允许疲劳应力极限。计算放大系数并将其应用于循环应力方程，然后在设计速度下计算循环阻力和升力。

最大组合升力和阻力应力不得超过疲劳应力极限。

4：静水压力限制：

在工作温度下，外部压力不得超过热套管尖端、柄或法兰（或螺纹）的最小压力额定值。

热套管标准

ASME PTC19.3-1974 多年来一直是设计大多数热电偶套管的标准。
该标准仅适用于锥形型材，并没有考虑由振荡阻力引起的同轴共振引起的应力。

ASME PTC19.3TW-2010 是 2010 年 7 月发布的新标准，用于取代 1974 年标准。

它使用更先进的方法来评估热电偶套管对特定应用的适用性，并且适用于锥形、直形和缩小尖端的轮廓。

热套管唤醒频率计算

热套管唤醒频率计算通常在热套管制造之前进行。

它们确保热套管设计足够坚固，可以应对过程介质产生的各种应力和应变。

唤醒频率计算数据可用于以下基本参数：

●压力
●温度
●速度
●粘度
●密度
任何热套管故障都将发生在最高应力点，即法兰/轴接头之间。除了使用速度环（这会导致它们自身的问题，并且在当前的 ASME PTC 19.3 TW-2010 标准中不推荐使用）之外，这在传统上意味着缩短或增加热套管的厚度。

这两种技术都会显着增加响应时间并且不利于温度测量性能。

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