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閱讀：12發布時間：2025-1-26
熱套管喚醒頻率計算
什么是熱套管喚醒頻率計算？
喚醒頻率計算用于根據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。如果尾流頻率與熱套管的自然頻率一致，井會振動并導致損壞。
熱電偶
熱電偶套管主要與熱電偶、RTD（電阻溫度傳感器）和雙金屬溫度計一起用于需要在高壓（75 psig 以上）或惡劣環境中測量溫度的應用。
它們還用于隔離，因此無需關閉過程即可更換傳感器。熱套管由實心棒料加工而成。
安全工作壓力取決于井材、操作溫度和流動介質的速度。
熱套管振動
當流體流過熱套管時，流體動量的變化會在井后產生湍流尾流。
渦流在此尾流中形成，并從井的兩側流出。渦流脫落頻率（或尾流頻率）與流速成線性關系，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，一個由兩個分量組成的周期性力 - (i) 升力，垂直于流動方向，以尾流頻率振蕩，以及 (ii) 較小的阻力，平行于流動，以兩倍的頻率振蕩喚醒頻率。
這些渦流引起的力會導致熱套管振動，通常很小，振動的幅度通?？梢院雎圆挥?。
但是，隨著尾流頻率 (fw) 接近熱套管的固有頻率 (fn)（在 20% 以內），它會偏移并鎖定到固有頻率。
當 fw = fn 時，熱套管進入共振狀態，振動力迅速增加。由此產生的振動會導致井的機械故障。
Murdock 計算（和配套的 ASME PTC 19.3）僅將振蕩升力視為熱套管振動的原因。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，因為它發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。當包含振蕩阻力分量時，速度額定值最多可降低 50%。
此處包括的計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際自然頻率而不是估計值。
這些計算結果只能用作選擇正確熱套管的指南。其他變量，如腐蝕，應進行評估并影響決策。
熱套管速度計算
當流體流過熱套管時，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流出，由此產生的壓差在熱套管上產生兩個周期性的力：
(i) 振蕩升力，橫向于頻率 fs 的流體流動
(ii) 振蕩阻力，與頻率 2fs 的流體流動一致
渦旋脫落可能發生在 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 Strouhal 頻率接近熱套管的自然頻率時，它會鎖定到自然頻率，從而導致共振，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應力小到可以接受的情況下，才能通過串聯共振運行。
發生共振時的流體速度稱為臨界速度。熱套管的每個固有頻率有兩個速度臨界值：一個描述橫向，另一個描述在線響應。
由于軸向力以兩倍于橫向力的頻率波動，相應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甚至橫向共振頻率下工作。
除了頻率限制之外，熱套管內的應力和施加的力對于評估熱套管對特定過程應用的適用性也很關鍵。要評估的 4 個定量標準是：
1：頻率限制：
熱套管的共振頻率必須足夠高，以便流體流動不會激發破壞性振蕩。穩態 (ss) 流體速度應滿足以下條件之一：
fs(ss) < 0.4•fn 或 0.6•fn < fs(ss) < 0.8•fn
2：靜態應力限制：
穩態應力是流體靜壓力和熱套管上的非振蕩阻力的結果，并在應力位置計算得出。
如果熱套管被部分屏蔽或具有減小的，則必須在進行計算時考慮這些因素。
設計速度下熱套管上的穩態應力不得超過 Von Mises 標準確定的允許應力。
3：動態應力限制：
動態應力是導致直線振蕩的周期性阻力和導致橫向振蕩的周期性升力的結果。
如果熱套管打算在高于串聯速度臨界值的情況下運行，則在達到設計速度的過程中通過該點時，需要考慮串聯諧振處的循環應力。
動態應力不得超過允許疲勞應力極限。計算放大系數并將其應用于循環應力方程，然后在設計速度下計算循環阻力和升力。
組合升力和阻力應力不得超過疲勞應力極限。
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。
熱套管標準
ASME PTC19.3-1974 多年來一直是設計大多數熱電偶套管的標準。
該標準僅適用于錐形型材，并沒有考慮由振蕩阻力引起的同軸共振引起的應力。
ASME PTC19.3TW-2010 是 2010 年 7 月發布的新標準，用于取代 1974 年標準。
它使用更的方法來評估熱電偶套管對特定應用的適用性，并且適用于錐形、直形和縮小的輪廓。
熱套管喚醒頻率計算
熱套管喚醒頻率計算通常在熱套管制造之前進行。
它們確保熱套管設計足夠堅固，可以應對過程介質產生的各種應力和應變。
喚醒頻率計算數據可用于以下基本參數：
●壓力
●溫度
●速度
●粘度
●密度
任何熱套管故障都將發生在應力點，即法蘭/軸接頭之間。除了使用速度環（這會導致它們自身的問題，并且在當前的 ASME PTC 19.3 TW-2010 標準中不推薦使用）之外，這在傳統上意味著縮短或增加熱套管的厚度。
這兩種技術都會顯著增加響應時間并且不利于溫度測量性能。
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