Защитные гильзы для датчиков температуры

Что такое защитная гильза?

На промышленных установках датчик температуры редко погружают непосредственно в среду. Обычно он находится внутри закрытой с одного конца металлической трубки, установленной в процесс, — защитной гильзы, которую также называют термокарманом или термогильзой. Гильза изолирует датчик от сил, создаваемых потоком, от высокого давления и от химического воздействия агрессивной среды. Одновременно она становится герметичной частью трубопровода или резервуара, работающей под давлением, к которому ее приваривают, вкручивают или крепят на фланце.

Главное эксплуатационное преимущество защитной гильзы — возможность извлечь датчик для калибровки или замены без остановки процесса и опорожнения линии. Взамен гильза добавляет между датчиком и средой дополнительную массу и тепловое сопротивление, что замедляет отклик измерения. Поэтому при проектировании гильзы нужен осознанный баланс между механической прочностью и тепловым откликом.

Поскольку гильза контактирует со средой, она должна соответствовать расчетным давлению и температуре, материалу трубопровода или резервуара, к которому подключается, а также применимым требованиям к оборудованию, работающему под давлением. Неподходящая конструкция может привести к усталостному разрушению от вибрации, вызванной потоком, и к утечке среды; поэтому выбор защитной гильзы — ответственное инженерное решение, важное для безопасности установки не меньше, чем для точности измерения.

Инженерные принципы проектирования защитных гильз

Пригодность защитной гильзы для конкретной задачи определяется совместной оценкой четырех основных аспектов проектирования:

1.      Присоединение к процессу и граница давления: Тип присоединения обычно выбирают по ответному присоединению, заданному проектировщиком процесса. Резьбовые присоединения просты в монтаже, но рассчитаны на меньшее давление, чем фланцевые; приварные обеспечивают наибольшую стойкость к давлению и герметичность.

2.      Профиль гильзы и нагрузки от потока: Погружная часть гильзы воспринимает силу лобового сопротивления среды. При одинаковом диаметре у основания цилиндрический, конический и ступенчатый профили по-разному ведут себя с точки зрения силы сопротивления, собственной частоты и времени отклика.

3.      Срыв вихрей и резонанс: Поток формирует за гильзой периодические вихри, и частота их срыва растет со скоростью потока. Если эта частота приближается к собственной частоте гильзы, возникает резонанс, и гильза может разрушиться от усталости. Этот риск оценивает расчет частоты вихреобразования (wake frequency).

4.      Тепловой отклик и посадка датчика: Стандартная гильза имеет канал диаметром 6,6 мм и толщину дна 6,4 мм. Чем меньше зазор между датчиком и каналом и чем меньше диаметр наконечника, тем быстрее тепловой отклик; длину датчика выбирают равной сумме длины удлинительной части (H) и монтажной длины (U).

Критерии приемки по ASME PTC 19.3 TW

ASME PTC 19.3 TW — международно признанный стандарт механического проектирования защитных гильз, изготовленных из прутка. Чтобы гильза была признана пригодной для заданных условий процесса, она должна удовлетворять четырем количественным критериям: ограничению по частоте (собственная частота достаточно высока, чтобы исключить разрушительные колебания от потока), ограничению по динамическим напряжениям (первичные динамические напряжения не превышают допустимого предела усталости; если при выходе процесса на рабочий режим проходится резонанс, выполняется дополнительная проверка на усталость), ограничению по статическим напряжениям (установившиеся напряжения по критерию Мизеса не превышают допустимых) и ограничению по гидростатическому давлению (наружное давление процесса не превышает допустимых значений для дна, погружной части и фланца или резьбы). Кроме того, отдельно оценивают коррозию, эрозию и влияние условий процесса на свойства материала.

Как определить монтажную длину?

Единой стандартной формулы для монтажной длины нет, но есть устоявшаяся практика. В турбулентном потоке наконечник следует располагать вблизи оси трубы, где температура наиболее представительна. В качестве общего ориентира монтажную длину принимают равной 10 диаметрам у основания для газов и 5 диаметрам — для жидкостей; другой подход — погружение не менее чем на треть или половину диаметра трубы. Рекомендация API — прибавить 50 мм к длине чувствительного элемента. Поскольку большая монтажная длина неблагоприятна с точки зрения вихреобразования, длину всегда выбирают вместе с механическим расчетом.

Увеличение диаметра у основания повышает прочность, уменьшение диаметра наконечника сокращает время отклика. Оба размера можно использовать как параметры проектирования, чтобы получить конструкцию, проходящую расчет частоты вихреобразования.

Ключевые особенности

·         Цельная конструкция из прутка: Гильзы механически обрабатываются из сплошного прутка, что обеспечивает прочность и целостность; канал сверлится стандартным диаметром 6,6 мм.

·         Четыре семейства присоединений: Резьбовое (коническая и цилиндрическая резьба), фланцевое (ASME B16.5 и EN 1092-1), Van Stone (lap joint) и приварное (враструб или вварное по DIN 43772, тип 4).

·         Три профиля погружной части: Цилиндрический, конический и ступенчатый профили выбирают исходя из баланса силы сопротивления, собственной частоты и времени отклика.

·         Гибкая доработка конструкции: Диаметр у основания 10–80 мм и диаметр наконечника 10–46 мм задаются с шагом 0,5 мм; по заказу изменяются также диаметр канала (3,5–11,0 мм) и толщина дна (5,0 или 6,0 мм).

·         Три способа изготовления фланцевых гильз: Фланцевые гильзы со сварным швом с неполным или полным проплавлением либо цельнокованые без сварки; сварка фланца с погружной частью выполняется в соответствии с ASME Section IX.

·         Широкий выбор материалов: Помимо стандартных 316/316L, 304/304L и углеродистой стали A105 — дуплексные и супердуплексные стали, 6Mo, хромомолибденовые стали, никелевые сплавы, никель 200 и титан Grade 2.

·         Покрытия и оболочки: Антиадгезионное покрытие PFA или PTFE, танталовая оболочка толщиной 0,38 мм и наплавка твердым сплавом на кобальтово-хромовой основе твердостью не менее 40 HRC для защиты от эрозии.

·         Выбор уплотнительной поверхности фланца: Стандарт — выступ со спиральными канавками; по заказу — концентрические канавки, плоская поверхность, RTJ, шип/паз и выступ/впадина.

·         Улучшенная чистота поверхности: Помимо стандартной шероховатости Ra 0,8 мкм доступны обработка до Ra менее 0,3 мкм и электрополировка — для повышения коррозионной стойкости и удобства очистки.

·         Контрольное отверстие: Опциональное контрольное отверстие предотвращает скопление газа, а выход среды через него сигнализирует о нарушении целостности гильзы.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые диапазоны параметров семейства защитных гильз из прутка, рассматриваемого на этой странице. Окончательные размеры и номинальное давление определяются на этапе проекта в зависимости от типа присоединения, материала и результата расчета по ASME PTC 19.3 TW.

Для гильз длиной более 1067 мм требуется испытание внутренним давлением; у гильз конического профиля сумма монтажной длины и длины удлинительной части должна быть меньше 1067 мм. Наплавка твердым сплавом выполняется только на гильзах цилиндрического и конического профиля.

Основные преимущества

·         Обслуживание датчика без остановки: Датчик можно извлечь для калибровки или замены без опорожнения линии и сброса давления, поэтому планирование обслуживания не зависит от графика процесса.

·         Механическая безопасность, подтвержденная расчетом: Расчет по ASME PTC 19.3 TW документально подтверждает пригодность гильзы с точки зрения резонанса, усталости, статических напряжений и наружного давления.

·         Геометрия под конкретный процесс: Настраиваемые диаметры у основания и наконечника, канал и толщина дна позволяют получить конструкцию, которая и проходит расчет, и обладает оптимизированным тепловым откликом.

·         Материалы для агрессивных сред: Материалы от нержавеющих сталей до никелевых сплавов и от дуплексных сталей до титана, а также покрытия позволяют подобрать решение под химию процесса.

·         Нет коррозии сварного соединения: В исполнениях Van Stone и цельнокованых гильзах нет сварного шва между погружной частью и фланцем, что исключает коррозию в зоне сварки и необходимость аттестации сварки.

·         Прослеживаемая документация по качеству: Сертификат на материал, PMI, неразрушающий контроль и гидроиспытания позволяют полностью включить изделие в документацию по качеству и по системе, работающей под давлением.

·         Комплектная сборка с датчиком: Гильза может поставляться в сборе с датчиком — затянутой вручную или с нормированным моментом и готовой к установке, что снижает риск несоответствия длин на объекте.

Области применения

Защитные гильзы применяются практически в каждой точке измерения температуры, где датчик нужно изолировать от процесса. Выбор присоединения, профиля и материала зависит от условий применения, перечисленных ниже.

Трубопроводы с высокой скоростью потока и высоким давлением

На линиях с высокой скоростью потока, высокой температурой или очень высоким давлением предпочтительны приварные гильзы и конический профиль; для фланцевых присоединений высокого давления можно применить уплотнительную поверхность RTJ. К этой группе относятся точки температурной коррекции расхода пара и газа.

Коррозионные процессы

Исполнение Van Stone не имеет сварного шва, поэтому исключает коррозию в зоне сварки и позволяет выбрать материал фланца отличным от материала погружной части. Никелевые сплавы, танталовую оболочку или титан подбирают с учетом химии процесса.

Среды, содержащие сероводород (H2S)

Сертификат соответствия NACE MR0175/ISO 15156 и MR0103 документально подтверждает пригодность материалов гильз для сред, содержащих сероводород.

Морские проекты

Материалы 316/316L, дуплекс и супердуплекс, квалифицированные по NORSOK M-630 и M-650, поставляются с определением содержания ферритной фазы, низкотемпературными испытаниями по Шарпи и коррозионными испытаниями.

Абразивные и налипающие среды

Наплавка твердым сплавом на погружную часть в абразивных средах и покрытие PFA или PTFE для склонных к налипанию сред ограничивают износ и образование отложений.

Кислородные среды и санитарные применения

Специальная очистка по ASTM G93 для сред, обогащенных кислородом; для санитарных применений шероховатость Ra менее 0,3 мкм и электрополировка облегчают очистку.

Как выбрать защитную гильзу

Выбор защитной гильзы влияет и на качество измерения, и на безопасность системы, работающей под давлением. Для технической оценки и механического расчета необходимы следующие данные:

Данные процесса

·         Вид среды (жидкость, газ или пар) и наличие многофазного потока

·         Минимальная, рабочая и максимальная скорость потока или расход, внутренний диаметр трубы

·         Плотность и вязкость среды

·         Расчетные и рабочие давление и температура

·         Риск коррозии и эрозии; наличие H2S

Присоединение и размеры

·         Ответное присоединение: тип и размер резьбы, стандарт, размер и класс фланца, тип уплотнительной поверхности, приварка враструб или вварка

·         Монтажная длина (U) и длина удлинительной части (H); толщина теплоизоляции и высота патрубка

·         Профиль погружной части, диаметры у основания и наконечника

·         Диаметр канала под диаметр датчика и резьба присоединения датчика

Материал и поверхность

·         Совместимость с химией процесса, температурные пределы материала и свариваемость с материалом трубы

·         Потребность в покрытии, оболочке или наплавке

·         Требования к шероховатости поверхности и электрополировке

·         Материал свободного фланца для исполнения Van Stone

Документация и испытания

·         Отчет о расчете по ASME PTC 19.3 TW

·         NACE, сертификат на материал EN 10204 3.1 и PMI

·         Гидроиспытания наружным и внутренним давлением, капиллярный контроль, контроль толщины стенки УЗК/РК

·         Документация по сварке (WPS, PQR, WPQ) для шва фланца, а для швов с полным проплавлением — УЗК на фазированных решетках или радиографический контроль

Для фланцевых гильз со сварным швом с полным проплавлением следует дополнительно заказать капиллярный контроль, чтобы выполнить требования ASME PTC 19.3 TW.

Стандарты проектирования, испытания и сертификаты

Проектирование, изготовление и контроль качества защитных гильз определяются следующими стандартами и вариантами испытаний:

Оценку соответствия требованиям законодательства об оборудовании, работающем под давлением, и региональные требования к регистрации следует выполнять для каждого проекта совместно с инженерами TLY Enerji.

Решения TLY Enerji: защитные гильзы

Для TLY Enerji защитная гильза — не аксессуар, а элемент, работающий под давлением и определяющий безопасность точки измерения. Наши инженеры собирают данные о расходе, давлении, температуре и свойствах среды, определяют тип присоединения, профиль, материал и монтажную длину, а также организуют выполнение расчета по ASME PTC 19.3 TW и оценку его результатов.

Если расчет не проходит, мы технически сравниваем альтернативы: изменение диаметра у основания или наконечника, сокращение монтажной длины, другой профиль или неинвазивное измерение. Мы помогаем согласовать с техническими требованиями проекта документацию — сертификаты на материал, NACE, PMI, гидроиспытания, — поставляем гильзу вместе с датчиком и преобразователем как готовую точку измерения и сопровождаем монтаж и пусконаладку на объекте.

Часто задаваемые вопросы

Для чего нужна защитная гильза?

Защитная гильза — закрытая с одного конца трубка, которая защищает датчик температуры от нагрузок потока, высокого давления и агрессивной среды. Она становится герметичной частью трубопровода или резервуара, работающей под давлением, и позволяет извлекать датчик для калибровки или замены без остановки процесса и опорожнения линии. Расплата за это — несколько более медленный отклик измерения.

Зачем нужен расчет частоты вихреобразования?

Поток образует за гильзой периодические вихри. Если частота их срыва приближается к собственной частоте гильзы, возникает резонанс, и гильза может разрушиться от усталости. Расчет по ASME PTC 19.3 TW проверяет критерии по частоте, динамическим и статическим напряжениям и гидростатическому давлению. Такой расчет рекомендуется выполнять для каждой защитной гильзы.

Чем отличаются цилиндрическая, коническая и ступенчатая гильзы?

Цилиндрический профиль имеет одинаковый диаметр по всей длине; у него наибольшая сила сопротивления и самый медленный отклик. Конический профиль сужается от основания к наконечнику; как компромисс между прочностью и откликом он часто применяется при высоких скоростях потока. Ступенчатый профиль заканчивается участком меньшего диаметра; при одинаковом диаметре у основания он дает более высокую собственную частоту и самый быстрый отклик.

Какой тип присоединения выбрать?

Резьбовые гильзы легко устанавливать и снимать, но они рассчитаны на меньшее давление, чем фланцевые. Фланцевые гильзы можно демонтировать для обслуживания, они подходят для высоких классов давления. Приварные гильзы обеспечивают наибольшую стойкость к давлению и герметичность и предпочтительны при высоких скоростях, температурах и давлениях. Исполнение Van Stone выделяется в коррозионных средах благодаря конструкции без сварного шва.

Как определить монтажную длину защитной гильзы?

В турбулентном потоке наконечник стремятся расположить вблизи оси трубы. Общий ориентир — монтажная длина, равная 10 диаметрам у основания для газов и 5 — для жидкостей; применяют также погружение не менее чем на треть или половину диаметра трубы и рекомендацию API прибавлять 50 мм к длине чувствительного элемента. Поскольку длинные гильзы повышают риск резонанса, окончательную длину нужно подтвердить механическим расчетом.

В чем преимущество гильзы Van Stone?

Гильза Van Stone (lap joint) зажимается между ответным фланцем и свободным накидным фланцем. Поскольку между погружной частью и фланцем нет сварного шва, коррозия в зоне сварки невозможна. Контактирующую со средой часть можно изготовить из дорогого сплава, а фланец над ней — из более экономичного материала, например углеродистой стали; при необходимости его легко заменить.

Что делать, если гильза не проходит расчет?

Увеличение диаметра у основания повышает прочность и собственную частоту; пройти расчет помогают также изменение диаметра наконечника и сокращение монтажной длины. Еще один вариант — смена профиля, например конический вместо ступенчатого. Если ни одна геометрия не подходит, в качестве альтернативы можно рассмотреть неинвазивное измерение с поверхности трубы.

Какие испытания и сертификаты можно заказать для защитных гильз?

Основные варианты: отчет о расчете по ASME PTC 19.3 TW, соответствие NACE MR0175/ISO 15156 и MR0103, сертификат на материал EN 10204 3.1, PMI, гидроиспытания наружным и внутренним давлением, капиллярный контроль, ультразвуковой или радиографический контроль толщины стенки, низкотемпературные испытания по Шарпи и очистка для кислородной среды. Для фланцевых исполнений можно также запросить документацию по сварке (WPS, PQR, WPQ).