XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Температура является одним из основных параметров, измеряемых в промышленности. Каждый метод измерения температуры имеет свои особенности, определяемые как принципом, так и применяемыми средствами и схемами их подключения [1, 2]. При измерении температуры особое внимание следует уделять взаимодействию между термопреобразователями и измеряемой средой. Современные датчики температуры редко вводятся непосредственно в среду технологического процесса. Они устанавливаются в защитные гильзы, чтобы изолировать их от условий технологического процесса, которые могут их повредить, а именно, механических напряжений, создаваемых потоком среды, высокого давления и воздействия коррозионных химических веществ [3]. Гильзы подобного типа обеспечивают защиту режима технологического процесса и технологическое уплотнение для датчиков температуры. Отказы защитных гильз зачастую связаны с одной или несколькими факторами: большие силы сопротивления, чрезмерное статическое давление, высокая температура, коррозия и вибрация, вызываемая движением рабочей среды. По мере того, как технологическая жидкость (газ) проходит вокруг защитной гильзы, вихри низкого давления создаются на стороне выпуска в ламинарном, турбулентном или переходном потоке. Комбинация напряжений, образованных действующими на одной линии статическими силами лобового сопротивления от потока жидкости и динамическими поперечными подъемными силами, вызванными переменным вихревым потоком, создает потенциальную возможность возникновения механических поломок защитных гильз, вызванных усталостью. Ошибки в определении технических характеристик защитных гильз, установленных на технологических трубопроводах под давлением, могут иметь катастрофические последствия, приводящие к разгерметизации и гибели людей. Для того чтобы избежать дефекта гильзы, нужно собрать всю имеющуюся информацию о технологическом процессе и ожидаемых эксплуатационных характеристиках.

Цель исследования – анализ основных факторов, влияющих на выбор защитных гильз для термопреобразователей.

Анализ литературных источников [1-3] позволил установить, что основными конструктивными параметрами защитных гильз термопреобразователей являются: геометрические параметры, материал, вид гильзы, способ монтажа (рисунок 1).

Рисунок 1 – Основные параметры защитных гильз

Материал конструкции – первый аспект, который рассматривается при выборе защитной гильзы для любого конкретного применения. Важно, чтобы защитная гильза соответствовала техническим характеристикам конструкции трубопровода или сосуда, в который она будет вводиться, чтобы обеспечить совместимость на уровне конструкции и материалов. Изначальный проект технологического оборудования должен учитывать температуру, давление и коррозионную стойкость, а также предусматривать процедуры чистки, сертификацию соответствующими органами, которая требуется,, и соответствие кодексам или стандартам. Поскольку установленная защитная гильза фактически становится частью технологического оборудования, эти аспекты первоначального проекта также должны применяться и к защитной гильзе и будут определять выбор материала конструкции и вид монтажа (таблица 1).

Таблица 1 – Анализ основных факторов, влияющих на выбор защитных гильз для термопреобразователей

Выбор типа защитной гильзы, вида штока и способ монтажа также имеют важное значение. Трубчатые защитные гильзы с помощью сварки оснащаются фланцем или резьбовым фитингом на одном конце трубки или небольшим отрезком трубы или трубки, а на другом конце они закрыты. Защитные трубки также могут быть выполнены из керамического материала (для измерения температур до 1800 °С) и прикреплены к металлическому фитингу для подключения к технологическому оборудованию. Керамические материалы не подвержены деформациям, как металлические трубки. Если металлические трубки деформируются, становится трудно или невозможно вынуть первичный преобразователь для замены. Причем изгиб может повредить первичный преобразователь. Трубчатые защитные гильзы могут быть выполнены с длинным погружаемым отрезком и часто используются для измерений в местах, где силы, создаваемые потоком среды, малы. Поскольку гильзы изготавливаются из трубных изделий, они имеют большую внутреннюю полость, чем другие защитные гильзы, что создает значительное запаздывание нагрева. Благодаря своей конструкции они имеют намного меньшие номинальные значения давления, и выбор их материалов ограничен. Защитные гильзы из прутковой заготовки изготавливаются путем механической обработки из целого отрезка металлического прутка круглого или шестигранного сечения. Защитные гильзы из прутковых заготовок способны выдерживать более высокие давления и более высокие скорости движения потока, чем защитные трубки. Выбор материалов для них шире и их можно монтировать различными способами для выполнения различных требований по давлению технологического процесса. Длины их обычно ограничены из-за ограниченных возможностей высверливания отверстия вдоль заготовки.

Гильзы с прямым профилем имеют наибольшие силы сопротивления по сравнению с другими видами гильз с таким же диаметром основания. Из-за большого диаметра наконечника у них большая масса, которую необходимо нагревать, что замедляет реакцию узла измерения на изменение температуры. Гильзы со ступенчатым профилем при таком же диаметре основания, что у защитной гильзы прямого профиля, имеют меньший профиль, подвергающийся воздействию текущей среды технологического процесса, и поэтому в этом случае сила сопротивления будет меньше, а быстродействие выше, так как масса наконечника меньше. Ступенчатая гильза имеет более высокую собственную частоту, чем конструкции других профилей при таком же диаметре основания, и поэтому она более стойка к вибрациям, благодаря своей геометрической форме. У гильзы с коническим профилем сила сопротивления будет меньше, чем в случае прямого профиля, но больше, чем в случае ступенчатой гильзы. Быстродействие также будет выше, чем у прямой гильзы и ниже, чем у ступенчатой. Гильзы с коническим профилем часто выбирают для работы, в системах с большими скоростями потока среды, где силы, создаваемые потоком, слишком велики, чтобы использовать ступенчатые гильзы.

Основные способы монтажа защитных гильз: резьбовые, приварные и фланцевые. Резьбовые защитные гильзы ввинчиваются в технологический трубопровод или резервуар, что позволяет легко устанавливать и снимать их, когда это необходимо. Хотя это наиболее широко применяемый способ монтажа, он имеет самые низкие номинальные значения давления среди трех способов монтажа. Резьбовые соединения также могут протекать, и поэтому их не рекомендуется использовать при работе с токсичными, взрывоопасными или коррозионными материалами. Приварные защитные гильзы привариваются к технологическому трубопроводу или резервуару на постоянной основе. Поэтому снять их трудно, требуется вырезать защитную гильзу из системы. Приварные защитные гильзы имеют наибольшие номинальные значения давления и обычно используются там, где имеются большие скорости потока среды, высокие температуры или очень высокие давления. Они необходимы там, где требуется герметичное уплотнение, не допускающее протечек. Фланцевые защитные гильзы крепятся болтами к ответным фланцам, которые приварены к технологическому трубопроводу или резервуару. Они имеют высокие номинальные давления, их легко устанавливать и просто заменять. Фланцевые защитные гильзы используются в системах, где имеются коррозионные среды, высокие скорости движения среды, высокие температуры или высокие давления. Защитные гильзы со свободно вращающимся соединением монтируются между ответным фланцем и свободно вращающимся фланцем. Эти защитные гильзы позволяют использовать различные материалы защитной гильзы, контактирующей со средой технологического процесса, и свободно вращающегося фланца, который позволяет сэкономить материал и расходы на изготовление. Такие гильзы являются хорошим выбором для систем с коррозионными средами, так как не имеют сварных швов, что исключает коррозию сварных соединений.

Таким образом, защитная гильза принадлежит к важнейшим компонентам датчика. Выбор защитной гильзы зависит от условий рабочей среды – температуры, давления, скорости потока, а также присутствия агрессивных химических компонентов. Для расчета защитной гильзы в соответствии с ASME PTC 19.3 TW-2016 нужна информация о: температуре, давлении, расходе, плотности среды, погружной длине, диаметре отверстия, внутреннем диаметре резьбы, диаметре наконечника, толщине наконечника, внутреннем диаметре переходника, длине переходника. Вопросы относительно химического воздействия требует тщательного анализа для каждого конкретного случая. Иногда только в ходе детальных технических испытаний можно достоверно установить, какие из компонентов рабочей среды оказывают решающее влияние на износ защитной гильзы.

Работа выполнена под руководством доцента кафедры метрологии, стандартизации и сертификации – канд. техн. наук Вольнова А.С.

Список литературы

1 Бурдунин, М.Н. О методах оценки прочности защищающих гильз для преобразователей температуры теплосчетчиков / М.Н. Бурдунин, А.А. Варгин, Ю.Н. Осипов // Датчики и системы. – 2005. – № 12. – С. 49-53.

2 Техническое описание – Расчеты защитных гильз [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.emerson.com/documents/automation/техническое-описание-расчеты-защитных-гильз-rosemount-ru-ru-79496.pdf – 28.02.2021.

3 Атрошенко, Ю. К. Повышение надежности и рабочего ресурса основных агрегатов и систем тепловых электрических станций за счет более точных оценок рабочих температур : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.14.14 / Ю.К. Атрошенко. Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). – Томск, 2016. – 22 с.