JP3741856B2

JP3741856B2 - Vibration-proof thermometer

Info

Publication number: JP3741856B2
Application number: JP06242498A
Authority: JP
Inventors: 茂朝川; 俊雄小河内; 晃二山本
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JPH11258252A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管内の温度を測定する温度計に関し、特に振動する配管内の温度測定に好適な耐振型温度計に関するのである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、配管内の温度を測定する従来の温度計の概略図である。図に示す温度計は、ウエル１と、ニップル２と、サーモカップル３とジャンクションヘッド４とを含んでなる。
【０００３】
ウエル１は、配管１０に設けられたねじ部５によって配管１０に取り付けられ、ねじ部５を通って配管１０内に突出している。配管１０のウエル取付面６より内部にあるウエル１の部分を配管内ウエル１ａと呼ぶ。ウエル取付面６の外側のウエル１の端には、ニップル２を取り付けるためのねじが設けられている。
【０００４】
ニップル２の一端は、ウエル１にねじで取り付けられ、メンテナンス時等にサーモカップル３の取り付け、取外しを容易にするため、ねじ込み構造の取付部７が設けられている。ニップル２の他端には、サーモカップル３からの信号を外部に接続するジャンクションヘッド４が取り付けられている。
【０００５】
サーモカップル３は、ニップル２内とウエル１内とを通って配管内ウエル１ａの先端まで挿入され、その先端が感温素子３ａを構成している。
【０００６】
ウエル１の材質は、一般に配管１０と同等の材質である。
【０００７】
このようなタイプの温度計は、例えば大型のボイラプラントにおいては、８０本程度取り付けられている。
【０００８】
配管１０の寸法は、例えば外径約６００ｍｍ、肉厚約２０ｍｍであり、配管１０の外表面は、厚さ約１５０ｍｍに巻かれた保温材１１で覆われている。
【０００９】
配管１０内には、例えば、高温（例えば６００℃）、高圧（例えば２５ＭＰａ）の蒸気が高速（例えば２７５ｍ／ｓ）で流れており、その流れは一般に乱流である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような温度計においては、配管１０内を高速の乱流が流れると、配管内ウエル１ａの後方で流れが剥離し、カルマン渦等が生じて、振動現象が生じ、その振動数がウエル１の固有振動数に近い場合には共振が発生し、ウエル１が折損するおそれがあるという問題がある。
【００１１】
また、ニップル２の先端にはジャンクションヘッド４の質量が付加されており、ニップル２とウエル１とは、先端に質量が付加され、ねじ部５で支持された片持ち梁を構成する。このため、カルマン渦等の加振源によって曲げ振動が励起されると、ねじ部５に疲労限を超える応力集中が生じ、金属疲労による破壊が生じるという問題がある。
【００１２】
更に、ウエル１とカルマン渦等の加振源との共振現象を回避する目的で、ウエル１の固有振動数をカルマン渦等の加振源の周波数よりも充分高くするために、ウエル１の外径を太くし、長さを短くした場合には、流体温度が配管内ウエル１ａを介してサーモカップル３の先端の感温部まで伝導する時間が長くなり、温度計測の時定数が大きくなるので、温度変化に対する追随性が悪くなり、温度検出精度が下がるという問題がある。
【００１３】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、カルマン渦等の加振源との共振によるウエルの折損やねじ部の金属疲労による破壊を防止し、かつ、温度計の温度計測時定数が大きくなることがなく、温度検出精度を維持することが可能な耐振型温度計を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、ウエルとサーモカップルとジャンクションヘッドとを含んでなり、振動する配管に取り付けて配管内の温度を測定する耐振型温度計において、上記ウエルは配管内ウエルと配管外ウエルとからなり、上記配管外ウエルの質量を上記配管内ウエルの質量と同等以上にし、かつ上記配管のウエル取付面内にあって上記ウエルの中心を通る任意の軸に関する上記配管外ウエルの慣性モーメントを上記軸に関する上記配管内ウエルの慣性モーメントよりも小さくして固有振動数を高くする。
【００１５】
この場合、上記ウエルは円筒状をなし、上記配管外ウエルの外径寸法は上記配管内ウエルの最大外径寸法よりも大とし、上記ジャンクションヘッドは上記ウエルから構造的に切離して設置する。
【００１６】
またこの場合、上記配管外ウエル内に位置する上記サーモカップルのシースに突起を設け、上記配管外ウエルの上端部に設けた押えねじとスプリングとにより上記突起に押力を加えることによって、上記サーモカップルの先端を上記配管内ウエルの先端に押しつける構造を設ける。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る耐振型温度計の概略図である。
【００１８】
図に示すように、本発明の１実施の形態である耐振型温度計は、配管内ウエル１０１と配管外ウエル１０２とからなる一体構造のウエル１００と、シース付きサーモカップル３０と、ジャンクションボックス４０とを含んで構成する。
【００１９】
ウエル１００は、配管１０に設けられたねじ部５によって配管１０に取り付ける。配管１０のウエル取付面１０３より配管外部に突出しているウエル１００の部分を配管外ウエル１０２、配管１０のウエル取付面１０３より配管内部にあるウエル１００の部分を配管内ウエル１０１と定義する。ウエル取付面１０３の近傍の溶接部１０４において配管外ウエル１０２を配管１０に溶接し、配管１０の内部からの管内流体の漏洩を防止する。配管外ウエル１０２は、配管１０の外表面を覆って巻かれた保温材１１を貫通し、その端部は保温材１１の表面から突出している。
【００２０】
サーモカップル３０は、配管外ウエル１０２の上端部から挿入され、配管外ウエル１０２と配管内ウエル１０１とを通って、その先端の感温素子３０ａは配管内ウエル１０１の先端に達している。サーモカップル３０のシースの配管外ウエル１０２内に位置する適当な個所に突起６０を溶接し、配管外ウエル１０２の上端部に設けた押えねじ８０によりスプリング７０を介して突起６０に押力を加えることによって、サーモカップル３０の先端を配管内ウエル１０１の先端に常に押しつける。メンテナンス時等には、押えねじ８０を取り外すことによって、容易にサーモカップル３０を取り出すことができる。サーモカップル３０は、ウエル１００から構造的に切離して設置したジャンクションボックス４０内と接続する。
【００２１】
上記構造のウエル１００は、一体構造であるので剛性が高く、かつ、配管外ウエル１０２の外径を配管内ウエル１０１の外径よりも大にし、配管外ウエル１０２の胴の長さを配管内ウエル１０１の胴の長さよりも小とすることにより、固有振動数を高くすることが可能である。以下、この点について説明する。
【００２２】
図３は、本発明に係る耐振型温度計の振動系を近似的に示す図である。図において、矢印は回転振動の方向を、渦巻状図形は回転バネを、縦棒は分布質量をそれぞれ表す。この振動系において、慣性モーメントをＩ₀、回転バネ定数をＫ₀とすれば、固有角振動数ω₀は、
【００２３】
【数１】
ω₀ ²＝Ｋ₀／Ｉ₀
固有振動数ｆ₀は、
【００２４】
【数２】
ｆ₀＝ω₀／（２π）
で与えられる。
【００２５】
図４は、慣性モーメントＩ₀の計算方法を説明する図である。図において、斜線を施した微小部分の質量をｄｍ、微小部分と特定の軸Ａ−Ａとの距離をａとした場合、慣性モーメントＩ₀は、
【００２６】
【数３】
Ｉ₀＝∫ａ²ｄｍ
である。従って、耐振型温度計の慣性モーメントＩ₀の値は、耐振型温度計の質量と形状を変更することによって、任意に設定することができる。すなわち、慣性モーメントＩ₀の値は、配管外ウエル１０２の外径を太くし、長さを短くすることによって小さくすることができ、従って固有振動数ｆ₀の値を高くすることができる。反対に、配管外ウエル１０２を細長くした場合には慣性モーメントＩ₀の値は大となり、固有振動数ｆ₀の値は低くなる。本実施の形態においては、従来技術における外径２１．７ｍｍのニップル２に代えて、外径５４ｍｍの配管外ウエル１０２を採用し、慣性モーメントＩ₀の値を２．０×１０⁴ｋｇ・ｍｍ²にした。
【００２７】
一方、回転バネ定数Ｋ₀の値は、耐振型温度計を取り付ける配管１０の外径と肉厚とに大きく左右される値であり、特定の配管１０に取り付けるので、慣性モーメントＩ₀の値に比し、その増減の範囲は狭い。（本実施の形態に用いた外径６００ｍｍ、肉厚約２０ｍｍの配管１０に、外径５４ｍｍの配管外ウエル１０２を有する耐振型温度計を取り付けた場合の回転バネ定数Ｋ₀の値は、１．６×１０⁸ｋｇｆ・ｍｍ／ｒａｄであった。）
以上のことから、配管内ウエル１０１の形状を変えることなく、配管外ウエル１０２の外径をを太くして長さを短くすることにより、ウエルの固有振動数を高い値に容易に設計することが可能である。
【００２８】
図５は、本発明に係る耐振型温度計を薄肉配管に取り付けて実験した場合のウエル１００の挙動を示す図である。本発明の１実施の形態である耐振型温度計を薄肉配管に取り付けて加振した場合、耐振型温度計の配管外ウエル１０２の上端が図の矢印ａの方向に変位すると、配管内ウエル１０１の下端は矢印ｄの方向に変位し、配管外ウエル１０２の上端が矢印ｂの方向に変位すると、配管内ウエル１０１の下端は矢印ｃの方向に変位し、倒立振り子状に運動することが確認できた。これにより、耐振型温度計取付部の配管の剛性に比し、耐振型温度計の剛性が充分大であることが分かる。本発明は、この特性を利用したものである。
【００２９】
打撃試験による固有振動数の測定結果によれば、従来技術の耐振型温度計の固有振動数が１８５Ｈｚであるのに対し、本願発明の実施の形態の耐振型温度計の固有振動数は１２００Ｈｚであり、固有振動数の値を顕著に高められたことが確認できた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る耐振型温度計においては、固有振動数の値をカルマン渦その他の加振源の加振振動数に比して充分高くすることができるので、共振によるウエルの折損や温度計取付部の破壊を防止することが可能となるという効果がある。また、配管内ウエルの外径を太くすることはないので、温度計の温度計測時定数が大きくなることがなく、温度検出精度を維持することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐振型温度計の概略図である。
【図２】従来の温度計の概略図である。
【図３】本発明に係る耐振型温度計の振動系を近似的に示す図である。
【図４】慣性モーメントの計算方法を説明する図である。
【図５】本発明に係る耐振型温度計を薄肉配管に取り付けて実験した場合のウエルの挙動を示す図である。
【符号の説明】
１、１００…ウエル
１ａ、１０１…配管内ウエル
１０２…配管外ウエル
６、１０３…ウエル取付面
１０４…溶接部
１０…配管
１１…保温材
２…ニップル
３、３０…サーモカップル
３ａ、３０ａ…感温素子
４、４０…ジャンクションヘッド
５…ねじ部
６０…突起
７…取付部
７０…スプリング
８０…押えねじ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermometer for measuring the temperature in a pipe, and more particularly to a vibration-proof thermometer suitable for measuring the temperature in a vibrating pipe.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 is a schematic view of a conventional thermometer for measuring the temperature in the pipe. The thermometer shown in the figure includes a well 1, a nipple 2, a thermocouple 3, and a junction head 4.
[0003]
The well 1 is attached to the pipe 10 by a screw portion 5 provided in the pipe 10, and protrudes into the pipe 10 through the screw portion 5. The portion of the well 1 inside the well mounting surface 6 of the pipe 10 is referred to as a pipe well 1a. A screw for attaching the nipple 2 is provided at the end of the well 1 outside the well attachment surface 6.
[0004]
One end of the nipple 2 is attached to the well 1 with a screw, and an attachment portion 7 having a screwed structure is provided to facilitate attachment and removal of the thermocouple 3 during maintenance or the like. A junction head 4 for connecting a signal from the thermocouple 3 to the outside is attached to the other end of the nipple 2.
[0005]
The thermocouple 3 passes through the nipple 2 and the well 1 and is inserted to the tip of the pipe well 1a, and the tip constitutes the temperature sensing element 3a.
[0006]
The material of the well 1 is generally the same material as the pipe 10.
[0007]
For example, about 80 thermometers of this type are attached in a large boiler plant.
[0008]
The dimensions of the pipe 10 are, for example, an outer diameter of about 600 mm and a wall thickness of about 20 mm, and the outer surface of the pipe 10 is covered with a heat insulating material 11 wound to a thickness of about 150 mm.
[0009]
For example, high-temperature (for example, 600 ° C.) and high-pressure (for example, 25 MPa) steam flows in the pipe 10 at a high speed (for example, 275 m / s), and the flow is generally turbulent.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a thermometer, when a high-speed turbulent flow flows in the pipe 10, the flow is separated behind the pipe well 1a, a Karman vortex or the like is generated, and a vibration phenomenon is generated. When it is close to the natural frequency of the well 1, there is a problem that resonance occurs and the well 1 may be broken.
[0011]
Further, the mass of the junction head 4 is added to the tip of the nipple 2, and the nipple 2 and the well 1 constitute a cantilever supported by the screw portion 5 with the mass added to the tip. For this reason, when bending vibration is excited by an excitation source such as a Karman vortex, there is a problem that stress concentration exceeding the fatigue limit occurs in the screw portion 5 and breakage due to metal fatigue occurs.
[0012]
Further, in order to avoid the resonance phenomenon between the well 1 and the excitation source such as the Karman vortex, in order to make the natural frequency of the well 1 sufficiently higher than the frequency of the excitation source such as the Karman vortex, When the diameter is increased and the length is shortened, the time during which the fluid temperature is conducted to the temperature sensing part at the tip of the thermocouple 3 through the pipe well 1a is increased, and the time constant for temperature measurement is increased. There is a problem that followability to a temperature change is deteriorated and temperature detection accuracy is lowered.
[0013]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and prevents breakage of a well due to resonance with a vibration source such as a Karman vortex or breakage due to metal fatigue of a threaded portion. An object of the present invention is to provide a vibration-proof thermometer capable of maintaining the temperature detection accuracy without increasing the constant.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, in the present invention, a vibration-resistant thermometer comprising a well, a thermocouple, and a junction head, which is attached to a vibrating pipe and measures the temperature in the pipe, the well is a well in the pipe. And the outside of the pipe, the weight of the well outside the pipe is equal to or greater than the weight of the well in the pipe, and the outside of the pipe with respect to an arbitrary axis within the well mounting surface of the pipe and passing through the center of the well. The inertia moment of the well is made smaller than the inertia moment of the well in the pipe with respect to the shaft to increase the natural frequency.
[0015]
In this case, the well has a cylindrical shape, the outer diameter of the outer pipe well is larger than the maximum outer diameter of the inner well, and the junction head is structurally separated from the well.
[0016]
In this case, a protrusion is provided on the sheath of the thermocouple located in the well outside the pipe, and a pressing force is applied to the protrusion by a press screw and a spring provided at the upper end of the well outside the pipe. A structure for pressing the tip of the couple against the tip of the well in the pipe is provided.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view of a vibration-proof thermometer according to the present invention.
[0018]
As shown in the figure, a vibration-proof thermometer according to an embodiment of the present invention includes a well 100 having a well 101 in a pipe and a well 102 in a pipe, a thermocouple 30 with a sheath, and a junction box 40. And comprising.
[0019]
The well 100 is attached to the pipe 10 by a screw portion 5 provided in the pipe 10. The portion of the well 100 that protrudes from the well mounting surface 103 of the pipe 10 to the outside of the pipe is defined as the well 102 outside the pipe, and the portion of the well 100 that is inside the pipe from the well mounting surface 103 of the pipe 10 is defined as the well 101 in the pipe. The well 102 outside the pipe is welded to the pipe 10 at the welded portion 104 in the vicinity of the well mounting surface 103 to prevent leakage of the fluid in the pipe from the inside of the pipe 10. The pipe outside well 102 penetrates the heat insulating material 11 wound so as to cover the outer surface of the pipe 10, and its end portion protrudes from the surface of the heat insulating material 11.
[0020]
The thermocouple 30 is inserted from the upper end of the pipe outer well 102, passes through the pipe outer well 102 and the pipe inner well 101, and the temperature sensing element 30 a at the tip reaches the tip of the pipe inner well 101. The projection 60 is welded to an appropriate position located in the outer pipe well 102 of the sheath of the thermocouple 30, and a pressing force is applied to the protrusion 60 via the spring 70 by a presser screw 80 provided at the upper end of the outer pipe well 102. Thus, the tip of the thermocouple 30 is always pressed against the tip of the well 101 in the pipe. During maintenance or the like, the thermocouple 30 can be easily taken out by removing the presser screw 80. The thermocouple 30 is connected to the inside of the junction box 40 that is structurally separated from the well 100.
[0021]
The well 100 having the above-described structure has a high rigidity because of the integral structure, and the outer diameter of the pipe outer well 102 is made larger than the outer diameter of the pipe inner well 101, and the length of the body of the pipe outer well 102 is set in the pipe. By making it smaller than the length of the body of the well 101, the natural frequency can be increased. Hereinafter, this point will be described.
[0022]
FIG. 3 is a diagram schematically showing a vibration system of the vibration-proof thermometer according to the present invention. In the figure, an arrow indicates the direction of rotational vibration, a spiral figure indicates a rotary spring, and a vertical bar indicates a distributed mass. In this vibration system, if the moment of inertia is I ₀ and the rotational spring constant is K ₀ , the natural angular frequency ω ₀ is
[0023]
[Expression 1]
ω ₀ ² = K ₀ / I ₀
The natural frequency f ₀ is
[0024]
[Expression 2]
f ₀ = ω ₀ / (2π)
Given in.
[0025]
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of calculating the moment of inertia I ₀ . In the figure, when the mass of the hatched minute part is dm and the distance between the minute part and the specific axis AA is a, the moment of inertia I ₀ is
[0026]
[Equation 3]
I ₀ = ∫a ² dm
It is. Therefore, the value of the inertia moment I ₀ of the vibration-proof thermometer can be arbitrarily set by changing the mass and shape of the vibration-proof thermometer. That is, the value of the moment of inertia I ₀ can be reduced by increasing the outer diameter of the pipe outer well 102 and shortening the length, and thus the value of the natural frequency f ₀ can be increased. On the contrary, when the well 102 outside the pipe is elongated, the value of the moment of inertia I ₀ becomes large and the value of the natural frequency f ₀ becomes low. In this embodiment, instead of the nipple 2 having an outer diameter of 21.7 mm in the prior art, a pipe outer well 102 having an outer diameter of 54 mm is adopted, and the value of the moment of inertia I ₀ is set to 2.0 × 10 ⁴ kg · mm. ²
[0027]
On the other hand, the value of the rotational spring constant K _{0 is} a value greatly influenced by the outer diameter and thickness of the pipe 10 to which the vibration-proof thermometer is attached, and since it is attached to the specific pipe 10, the value of the moment of inertia I ₀ In comparison, the range of increase and decrease is narrow. (The value of the rotational spring constant K ₀ when the vibration-proof thermometer having the pipe outer well 102 having an outer diameter of 54 mm is attached to the pipe 10 having an outer diameter of 600 mm and a wall thickness of about 20 mm used in this embodiment is 1 6 × 10 ⁸ kgf · mm / rad.)
From the above, the natural frequency of the well can be easily designed to a high value by increasing the outer diameter of the outer pipe well 102 and shortening the length without changing the shape of the inner pipe well 101. Is possible.
[0028]
FIG. 5 is a diagram showing the behavior of the well 100 when the vibration-proof thermometer according to the present invention is attached to a thin-walled pipe and tested. When the vibration-proof thermometer according to one embodiment of the present invention is attached to a thin pipe and shaken, if the upper end of the pipe-out well 102 of the vibration-proof thermometer is displaced in the direction of arrow a in the figure, the pipe well 101 When the upper end of the well 102 outside the pipe is displaced in the direction of the arrow b, the lower end of the well 101 in the pipe is displaced in the direction of the arrow c and moves in an inverted pendulum shape. did it. Thereby, it can be seen that the rigidity of the vibration-proof thermometer is sufficiently larger than the rigidity of the piping of the vibration-proof thermometer mounting portion. The present invention utilizes this characteristic.
[0029]
According to the measurement result of the natural frequency by the impact test, the natural frequency of the vibration-proof thermometer of the prior art is 185 Hz, whereas the natural frequency of the vibration-proof thermometer of the embodiment of the present invention is 1200 Hz. Yes, it was confirmed that the value of the natural frequency was remarkably increased.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, in the vibration-proof thermometer according to the present invention, the value of the natural frequency can be made sufficiently higher than the vibration frequency of the Karman vortex or other vibration source. There is an effect that it becomes possible to prevent breakage of the thermometer and destruction of the thermometer mounting portion. Further, since the outer diameter of the well in the pipe is not increased, the temperature measurement time constant of the thermometer is not increased, and the temperature detection accuracy can be maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a vibration-proof thermometer according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a conventional thermometer.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a vibration system of a vibration-proof thermometer according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of calculating a moment of inertia.
FIG. 5 is a view showing the behavior of a well when an experiment is performed with the vibration-proof thermometer according to the present invention attached to a thin pipe.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 ... Well 1a, 101 ... Pipe well 102 ... Pipe outer well 6,103 ... Well mounting surface 104 ... Welding part 10 ... Piping 11 ... Heat insulating material 2 ... Nipple 3, 30 ... Thermocouple 3a, 30a ... Temperature sensing Element 4, 40 ... Junction head 5 ... Screw part 60 ... Projection 7 ... Mounting part 70 ... Spring 80 ... Presser screw

Claims

In a vibration-proof thermometer that includes a well, a thermocouple, and a junction head, and is attached to a vibrating pipe and measures the temperature in the pipe, the well consists of a well in the pipe and a well outside the pipe. Is equal to or greater than the mass of the well in the pipe, and the moment of inertia of the outer pipe well with respect to an arbitrary axis passing through the center of the well in the well mounting surface of the pipe is set to the well in the pipe with respect to the axis. A vibration-proof thermometer characterized by a higher natural frequency that is smaller than the moment of inertia.

The well has a cylindrical shape, the outer diameter of the outer pipe well is larger than the maximum outer diameter of the inner well, and the junction head is structurally separated from the well. The vibration-proof thermometer according to claim 1.

A protrusion is provided on the sheath of the thermocouple located in the outer well of the pipe, and the tip of the thermocouple is attached by applying a pressing force to the protrusion by a press screw and a spring provided at the upper end of the outer pipe well. 2. The vibration-proof thermometer according to claim 1, further comprising a structure that presses against a tip of the well in the pipe.