CN114233722A - 具有减小的涡激振动敏感度的插入管道或容器的保护管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有减小的涡激振动敏感度的插入管道或容器的保护管(1)，该保护管(1)用于插入到容纳介质(M)的管道或容器(2)中，涉及一种具有这种保护管(1)的测量装置(3)并且涉及用于产生该保护管(1)的方法。保护管(1)包括：管状构件(5)，该管状构件具有在管状构件(4)的上端和下端之间延伸的钻孔(6)；和至少一个螺旋翅片(9)，该螺旋翅片形成在管状构件(5)的至少一段外表面(S)上，缠绕管状构件(5)的外表面(S)，并且沿着管状构件(5)的至少一部分限定流动通道(10)。选择所述至少一个螺旋翅片(9)的至少一个几何参数，使得该几何参数取决于在容器或管道(2)中的介质(M)的至少一个过程条件。

Description

具有减小的涡激振动敏感度的插入管道或容器的保护管
技术领域
本发明涉及一种用于插入到容纳介质的管道或容器中的保护管，其中该保护管用于接纳用于确定和/或监测介质的过程变量的测量插件，涉及一种具有这种保护管的装置，并且涉及一种生产根据本发明的保护管的方法。
背景技术
用于确定和/或监测介质的过程变量的测量插件领域中的保护管是例如已知的呈用于温度计的热电偶套管的形式，其中该温度计用于确定并且/或者监测介质的温度。温度计的测量插件通常至少包括一个用于确定和/或监测介质温度的温度传感器。温度传感器又包括至少一个温度敏感部件，例如呈电阻元件的形式，尤其是铂元件，或呈热电偶的形式。但是，保护管还已知与气体采样探头相关，其中将气体样本特别是动态地从管道或容器中取出。因此，本发明总体上涉及采用插入式探头主体的流体处理和相关测量，并且不限于热电偶套管或气体采样探头。
这种保护管经常暴露于相应介质的介质流中，这会导致作用在保护管上的不同机械力，如剪切力或由相干涡旋脱落引起的力，而且，这可导致涡激振动(VIV)。流体动力学中的涡旋脱落被称为“卡门涡街”，其是指由于围绕形体的介质流不稳定分离而引起的在交替方向上的打转涡旋的重复图案，从而导致所述形体振动。振动频率与介质围绕着流动的形体的固有频率越接近，则该形体振动得就越大。如，振动的频率是由若干个过程参数决定的，诸如介质的物理性质、流动速度和形体的形状。
例如，由于受VIV影响的保护管损坏的高风险，在生产期间需要对这些振动进行充分考虑。例如，对于温度计，可以使用标准方法，诸如ASME PTC 19.3TW-2000，这些方法限定了若干设计规则，这些设计规则有助于减少相干涡旋脱落的负面影响。这些设计规则的基本原则是增加温度计的振动的固有频率，以使该固有频率与涡旋脱落频率分开。以这种方式，使共振涡激振动的危险状况最小化。为此，温度计的几何形状通常是变化的，如通过减少其长度和/或通过增加其直径而变化。
或者，当功能限制不允许温度计尺寸发生某些变化时，经常使用机械支撑件或吸收器来降低温度计对涡旋脱落的敏感性。这些机械支撑件或吸收器通常被装配到容器或管道的开口与温度计外表面之间的间隙中。然后，该支撑件或吸收器通过减少温度计的自由长度来增加温度计的固有频率。但是，事实证明难以以能够实现高水平的联接并因此实现期望的效果的方式安装这些支撑件或吸收器。
再一个，另一种降低保护管的VIV的方法是在保护管上提供某些结构或结构元件。在这方面，保护管外表面上的螺旋翅片已被证明是非常成功的，例如如US3076533A、US4991976、US7424396B2、US653931B1、US7836780B2、US2013/0142216A1、GB2442488A或WO2020/035402A1中描述的不同构造。
基于这些方法，作为本发明基础的目标技术问题是增加保护管对涡激振动的抵抗力。
发明内容
该问题通过根据权利要求1的保护管、根据权利要求8的测量装置和根据权利要求10的方法来解决。
关于保护管，该目标技术问题是通过插入到容纳介质的管道或容器中的保护管来解决的，该保护管包括：
管状构件，具有：
钻孔，该钻孔在管状构件的上端和下端之间延伸，以及
至少一个螺旋翅片，该至少一个螺旋翅片形成在管状构件的至少一段外表面上，缠绕管状构件的外表面，并且沿着管状构件的至少一部分限定流动通道。
根据本发明，选择该至少一个螺旋翅片的至少一个几何参数，使得该参数取决于在容器或管道中的介质的至少一个过程条件。
保护管通常通过开口安装在管道或容器上，该开口可以具有用于将保护管连接到容器或管道的过程连接。保护管至少部分地延伸到容器或管道的内部容积中并且至少部分地与流动介质接触。保护管可以布置成使得其纵向轴线与介质的流动方向垂直。但是，也可以采用纵向轴线和流动方向之间的不同于90°的角度。
本发明提供了一种具有至少一个定制的螺旋翅片的保护管，该螺旋翅片根据具体应用的过程进行选择。这样，可以优化保护管对相干涡旋脱落的稳定性。存在用于提供根据本发明的定制的热电偶套管的若干实施例，随后描述其中的几个特别优选的实施例。
在一个实施例中，过程条件是介质的流动剖面、流动速度、压力、温度、密度或粘度，管道或容器的直径、容积或粗糙度，或管状构件的直径或长度中的至少一个。所有这些介质和管道/容器相关参数确实对VIV有影响。表征螺旋翅片的几何参数是上述过程条件的函数。
另一实施例包括，几何参数是限定流动通道和/或该至少一个螺旋翅片的形式和/或形状的至少一个参数，尤其是该至少一个螺旋翅片的高度、节距、宽度、深度或形状，或是流动通道的截面面积。通过根据至少一个过程条件选择几何参数，显著提高对VIV的抵抗力。
保护管可用于广泛的应用，并且例如，其可以是带有入口端和出口端的气体采样探头或皮托管(Pitot tube)的一部分。但是，在一个实施例中，保护管是热电偶套管，并且管状构件在一个端部段是封闭的。
保护管的一个实施例进一步包括，流动通道的截面面积被设计成使其具有预先限定的形状和/或尺寸，该预先限定的形状和/或尺寸是根据容器或管道中的介质的该至少一个过程条件进行选择的。为了抑制VIV，流动通道应提供将介质的动能转化成压力变化的抽吸机构。这样，对相干涡旋脱落的敏感性降低。
在这一点上，有利的是，流动通道的截面面积的预先限定的形状和/或尺寸是通过如下构建的，在流动通道的区域中，从该至少一个螺旋翅片并且/或者从管状构件的壁移除至少一个具有预先确定体积的段。这样，可以使抽吸机构最大化。
保护管的另一实施例包括，该至少一个螺旋翅片的尺寸和/或形状和/或流动通道的截面面积沿着管状构件的轴线变化。这样，可以再次考虑流动剖面的特定影响，从而显著增加保护管对于相干涡旋脱落的抵抗力。
该目标技术问题还通过一种用于确定和/或监测介质的过程变量的测量装置来解决，该测量装置包括保护管，该保护管是根据关于所述保护管描述的任一实施例所述的保护管。
在测量装置的一个实施例中，保护管用于接纳测量插件，该测量插件用于确定和/或监测介质的过程变量，尤其是介质的温度。
最后，通过一种用于生产插入到容纳介质的管道或容器中的保护管的方法来解决目标技术问题，该保护管包括：
管状构件，具有：
钻孔，该钻孔在管状构件的上端和下端之间延伸，以及
至少一个螺旋翅片，该至少一个螺旋翅片形成在管状构件的至少一段外表面上，并且缠绕管状构件的外表面。
该方法包括选择该至少一个螺旋翅片的至少一个几何参数的步骤，使得该至少一个几何参数取决于在容器或管道中的介质的至少一个过程条件。
在该方法的一个实施例中，该至少一个螺旋翅片的该至少一个几何参数是基于以下来选择的：在该至少一个过程条件下，在容器或管道内的保护管的机械特性的计算(特别是数值计算)。
在该方法的另一个实施例中，考虑管道系统内的流动修改元件的安装位置和/或该流动修改元件的存在，以选择该至少一个螺旋翅片的该至少一个几何参数，其中，所述流动修改元件例如是管道角件、阀、过滤器、喷嘴或另一个测量探头。
一个实施例包括，根据该至少一个过程条件来选择管状构件的所述至少一段外表面的尺寸，其中该至少一段外表面包括该至少一个螺旋翅片。
应该注意的是，结合保护管和测量装置所描述的实施例在加上必要修改的情况下适用于所提出的方法，并且反之亦然。
附图说明
现在将通过图1至图7更详细地解释本发明；
图1：说明暴露于流动介质的插入体的涡旋脱落的起源；
图2：示出了具有现有技术的热电偶套管的温度计；
图3：示出了(a)具有根据现有技术形成多个流动通道的多个螺旋翅片的热电偶套管，以及(b)为避免VIV而优化的流动通道；
图4：说明了流动剖面和安装位置对VIV的发生的影响；
图5：示出了具有可变螺旋翅片的第一实施例；
图6：涉及根据本发明的保护管的第一实施例，在该实施例中，优化了流动通道的面积；
图7：示出了具有变化形状的螺旋翅片的第三实施例；并且
图8：示出了结合不同优化方法的示例性实施例。
在图中，相同的元件总是具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了位于暴露于管道2中的流动介质M的圆柱形、圆锥形渐缩的保护管1处的涡旋脱落w的起源，其中管道2由该管道的管壁之一指示。在保护管1的在介质流动方向v上的下游，形成脊状图案。取决于介质M的流动速度v，这会导致相干涡旋脱落，而该相干涡旋脱落进而可能导致保护管1振动。
该振动主要是由于作用在保护管1上的两个力(y方向上的剪切力和x方向上的提升力)而产生的。剪切力引起频率为fs的振荡，而提升力引起频率为2fs的振荡。频率fs现在取决于介质M的流动速度v，并且取决于各种物理或化学介质性质，诸如介质的粘度和密度，以及保护管1的尺寸，诸如其直径和长度。频率fs越接近保护管1的固有频率并且介质M的流动速度v越高，所产生的振荡引起的力就越大。
由于振动引起的力，保护管1可能被损坏甚至完全坏掉。这被称为所谓的共振条件。
图2以示例性的方式且不限于这种实施例，示出了现有技术的温度计3，该温度计具有呈热电偶套管4形式的保护管1。如在图2a中可见，热电偶套管4包括管状构件5，该管状构件具有第一端部段5a和具有封闭端的第二端部段5b。管状构件5还包括在管状构件5内形成中空空间的钻孔6，该中空空间由内表面s和平行于管状构件5的纵向轴线A的能够预先确定的高度h限定，该钻孔6用于接纳用于确定和/或监测过程变量(如介质M的温度)的测量插件7(未示出)。
此外，如图2c所示，提供了紧固单元8，该紧固单元在此示例性地附接到管状构件5。该紧固单元8是过程连接，并且用于将热电偶套管4安装到管道2(未示出)，使得管状构件5至少部分地延伸到管道2的内部容积中并且使得它至少部分地接触流动介质M。
图2的热电偶套管4的外表面S具有如图2b中可见的基本上圆形的形状。但是，这种结构很容易导致温度计3产生不期望的涡激振动。
为了克服与相干涡旋脱落相关的问题，已经提出了具有螺旋翅片9的保护管1，该螺旋翅片通常布置在保护管3的外截面表面S上。图3a中示出了具有三个这种螺旋翅片9的示例性保护管3。螺旋翅片9沿着管状构件5形成流动通道10，从而减小保护管3的VIV。每个流动通道10由相邻螺旋翅片9之间的容积形成，该螺旋翅片沿着管状构件5的长度轴线A围绕该管状构件行进。
理想情况下，这种流动通道10应该是封闭的通道10'，如图3b中所示。这种封闭的通道10'将能够将介质M从封闭的端部段5b运向第一端部部5a，从而形成用于将介质的动能转化成压力变化的抽吸机构。这种流动速度和压力分布的变化将会产生介质的多维运动，这种多维运动允许减少或者甚至抑制保护管3上的VIV。因此，避免VIV的有效性与螺旋翅片9的构造密切相关。最终形状与图3b的理想结构越相似，则VIV方面的性能就越好。
第二个问题是管道或容器2中的介质M的流动剖面v(x,y)。理想情况下，圆形管道的流动剖面v(x,y)具有抛物线形状，如图4a中所示。因此，介质M在管道或容器2的中心区域内具有最高的相对速度vrel。该剖面根据管道或容器2的长度lp略微变化，如针对图4b中的相对较短的管道段2和图4c中的相对较长的管道段2的情况所示。
此外，可以考虑在管道/容器2系统内的流动修改元件11的安装位置和/或该流动修改元件11的存在，例如图4d中所示的管道角件，因为它们也强烈影响流动剖面。在经过该管道角件后，流动剖面v(x,y)是不对称的(a)，并且只有在缓慢地通过若干个过渡区域(b)之后转变为在管道角件11之后的直管道2段中的对称的剖面v(x,y)。
由于介质M的相对速度vrel沿着管道2的直径d变化，并且由于管道系统2内的安装位置对流动剖面v(x,y)有很大影响，因此这些量也强烈影响保护管1对于相干涡旋脱落的敏感性。
本发明的一个目的是建立自适应几何结构，该几何结构考虑到影响保护管1对VIV的敏感性的各种过程条件。通过该程序，可以极大地提高经受流动介质M的保护管1的性能。过程条件是与保护管1、介质M性质或管道或容器2的几何形状有关的任何变量，例如，诸如介质M的流动剖面v(x,y)、流动速度v、压力、温度、密度或粘度、管道或容器2的直径d、容积V或粗糙度，或管状构件5的长度l或直径d。
在下文中，示出了优化的保护管1的优选实施例的几个示例。应当注意的是，更多的实施例是可能的，它们都落入本发明的范围内。此外，所示的不同实施例也可以相互组合。
在图5中，示出了根据本发明的保护管1的第一实施例。多个螺旋翅片9形成在管状构件5的外表面S上。翅片9的高度h随着管状构件5的长度l而变化。翅片9在端部段5b处具有最小高度，该端部段5b朝向管道2中心区域定向。在该区域中，相对速度vrel最高。翅片9的高度h朝向面向管道2的管壁的段连续增加，因为在该区域中，相对流动速度vrel最小。翅片9的高度h是管状构件5的长度l的函数，并且因此是流动剖面v(x,y)的函数。螺旋翅片9的几何参数高度h根据过程条件流动剖面v(x,y)来选择。
第二种方法在于优化流动通道10的截面面积afc，如图6的第二示例性实施例中所示。优选地是，截面面积afc被设计成使得其具有预先限定的形状和/或尺寸，该预先限定的形状和/或尺寸是根据容器或管道2中的介质M的所述至少一个过程条件来选择的。存在不同的选项用来构建特定的截面面积afc。能够改变螺旋翅片9的尺寸和布置结构，并能够从翅片9或管状构件5增加或移除具有一定体积的段。因此，截面面积afc被限定为保护管的呈二维切口的流动通道的容积的截面面积。
图6a示出了具有螺旋翅片9的保护管1的截面，该螺旋翅片形成具有截面面积afc的流动通道10。翅片9被不同地实施，如由两个变型例9a和9b示例性地示出的那样。这样，截面面积afc沿着管状构件的长度l变化。如图6b中所示，翅片9的变化的高度h还导致了沿着管状构件5的长度l的不同的截面面积afc。在图6b的情况下，额外地从翅片9移除体积段12，以增加截面面积afc。如图6c中所示，体积段13也可以在相应的流动通道10的区域中从管状构件5移除。
为了使该区域变化，在流动通道10的区域中，可以从翅片9或管状构件5上可以移除体积段12、13，如图6b和图6c中示例性所示的那样。同样，对于图6中所示的实施例，翅片9的尺寸也沿着管状构件5的长度变化。在此情况中，例如，螺旋翅片9的螺旋节距p、宽度t沿着该长度变化。
螺旋翅片9的形状变化的实施例以图7为准。对于图7中所示的保护管1，不同的螺旋翅片9确实具有不同的形状，如翅片9a和9b示例性所示的那样。图7b更详细地示出了螺旋翅片9b。与翅片9a不同，翅片9b在其上部具有凹口14。但是，特定的翅片9的形状也可沿着管状构件5的长度变化，如图7c中所示，其中翅片9的形状从第一段中的矩形9a向第二段中的圆形9b变化。
在图8中示出了根据本发明的保护管1的优选实施例，其结合了不同的优化方法。如图8a中可见，螺旋翅片9的宽度w沿着管状构件5的长度变化。宽度朝向管状构件5的端部段5b减小。如图8b中所示，另外，螺旋节距p和翅片宽度t沿着该长度变化。同样，两个量都朝向端部段5b减小。得到的保护管1在图8c中以透视图示出。螺旋翅片9的变化的几何参数p、t和w也导致了流动通道10的变化的尺寸。
为了说明螺旋翅片9的几何参数的具体选择，在图8d中示出了保护管1以及管道2内的相应抛物线流动剖面v(x,y)。
为了生产根据本发明的保护管1，存在许多不同的方法，它们都落入本发明的范围内。例如，能够从圆柱形管状构件5开始，而在管状构件5的外表面S上加工螺旋翅片。翅片9和管状构件5可以通过移除或增加体积段来进一步加工，以达到优化的尺寸。或者，保护管1也可以通过增材制造工艺形成，如，通过3D打印等。
在任何情况下，选择所述至少一个螺旋翅片9的至少一个几何参数，使得该至少一个几何参数取决于容器或管道2中的介质M的至少一个过程条件。例如，这些几何参数可以计算，如，通过计算管道或容器内的保护管1的机械特性：
p,t,w,afc＝F(速度、流动剖面、密度、粘度、压力、管道直径、管状构件的长度、温度、管道几何形状)
所有参数都可用于计算流动通道10的尺寸，这取决于螺旋翅片的几何参数的选择。可以导出标准情况的标准值，以提高特定应用的计算速度。
在所示的实施例中，螺旋翅片沿着平行于管状构件5的长度轴线A的整个长度l行进。但是，在其它实施例中，还可以仅使管状构件5的一个给定段由螺旋翅片9覆盖。在这种情况下，还可以根据所述至少一个过程条件来选择承载所述至少一个螺旋翅片9的所述段的尺寸。
参考标记列表
1 保护管
2 管道，容器
3 温度计
4 热电偶套管
5 管状构件
5a 第一端部段
5b 第二端部段
6 钻孔
7 测量插件
8 紧固单元
9 螺旋翅片
10 流动通道
11 流动修改元件
12、13 移除的体积段
14 凹口
M 介质
v 介质速度
vrel 相对流动速度
v(x,y) 流动剖面
W 涡旋脱落
A 管状构件的纵向轴线
s 内截面表面
S 外截面表面
d 管道直径
lp 管道段长度
h 螺旋翅片高度
p 螺旋翅片节距
t 螺旋翅片宽度
l 管状构件长度
afc 流动通道截面面积

Claims (13)

1.一种保护管(1)，所述保护管(1)用于插入到容纳介质(M)的管道或容器(2)中，
所述保护管(1)包括：
管状构件(5)，该管状构件具有：
钻孔(6)，所述钻孔(6)在所述管状构件(4)的上端和下端之间延伸，以及
至少一个螺旋翅片(9)，所述至少一个螺旋翅片(9)形成在所述管状构件(5)的至少一段外表面(S)上，缠绕所述管状构件(5)的所述外表面(S)，并且沿着所述管状构件(5)的至少一部分限定流动通道(10)，
其特征在于，
选择所述至少一个所述螺旋翅片(9)的至少一个几何参数，使得所述至少一个几何参数取决于在所述容器或管道(2)中的所述介质(M)的至少一个过程条件。
2.根据权利要求1所述的保护管(1)，
其中，所述过程条件是所述介质(M)的流动剖面(v(x,y))、流动速度(v)、压力、温度、密度或粘度，所述管道或容器(2)的直径(d)、容积或粗糙度，或所述管状构件(5)的长度(l)或直径中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的保护管(1)，
其中，所述几何参数是限定所述流动通道(10)和/或所述至少一个螺旋翅片(9)的形式和/或形状的至少一个参数，尤其是所述至少一个螺旋翅片(9)的高度(h)、节距(p)、宽度(t)、深度或形状，或是所述流动通道(10)的截面面积(afc)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的保护管(1)，
其中，所述保护管(1)是热电偶套管(4)，并且所述管状构件(5)在一个端部段(5b)中被封闭。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的保护管(1)，
其中，所述流动通道(10)的所述截面面积(afc)被设计成使得其具有预先限定的形状和/或尺寸，所述预先限定的形状和/或尺寸取决于在所述容器或管道(2)中的所述介质(M)的所述至少一个过程条件来选择。
6.根据权利要求5所述的保护管(1)，
其中，所述流动通道(10)的所述截面面积(afc)的所述预先限定的形状和/或尺寸通过以下方式来构建，在所述流动通道(10)的区域中，从所述至少一个螺旋翅片(9)并且/或者从所述管状构件(5)的壁上移除至少一个具有预先确定体积(12、13)的段。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的保护管(1)，
其中，所述至少一个螺旋翅片(9)的尺寸和/或形状，和/或所述流动通道(10)的所述截面面积(afc)沿着所述管状构件(5)的轴线(A)变化。
8.一种测量装置(3)，所述测量装置(3)用于确定和/或监测介质(M)的过程变量，所述测量装置(3)包括前述权利要求中的至少一项所述的保护管(1)。
9.根据权利要求8所述的测量装置(3)，
其中，所述保护管(1)用于接纳测量插件(7)，所述测量插件(7)用于确定和/或监测介质(M)的过程变量，特别是所述介质(M)的温度。
10.一种生产保护管(1)的方法，所述保护管(1)用于插入到容纳介质(M)的管道或容器(2)中，所述保护管(1)包括：
管状构件(5)，该管状构件具有：
钻孔(6)，所述钻孔(6)在所述管状构件(5)的上端和下端之间延伸，以及
至少一个螺旋翅片(9)，所述至少一个螺旋翅片(9)形成在所述管状构件(5)的至少一段外表面(S)上并缠绕所述管状构件(5)的所述外表面(S)，
所述方法包括：
选择所述至少一个螺旋翅片(9)的至少一个几何参数，使得所述至少一个几何参数取决于在所述容器或管道(2)中的所述介质(M)的至少一个过程条件。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，所述至少一个螺旋翅片(9)的所述至少一个几何参数是基于以下来选择的：在所述至少一个过程条件下，所述容器(2)或管道内的所述保护管(1)的机械特性的计算，特别是数值计算。
12.根据权利要求10或11所述的方法，
其中，为了选择所述至少一个螺旋翅片(9)的所述至少一个几何参数，考虑管道(2)系统内的流动修改元件(14)安装位置和/或所述流动修改元件(14)的存在，所述流动修改元件(14)例如是管道角件、阀、过滤器、喷嘴或另一个测量探头。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，
其中，所述管状构件(5)的所述至少一段外表面(S)的尺寸是根据所述至少一个过程条件来选择的，其中所述至少一段外表面(S)包括所述至少一个螺旋翅片(9)。
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