姜宜凯
中国石油四川石化有限责任公司 四川彭州 611930
摘要：在石油化工装置或设备中普遍存在的振动问题，是对生产现场的安全威胁之一，也一直是行业内的关注重点。在强振动工况下， 对现场仪表就提出了较高的要求，如何保证在强振动工况下现场仪表如双金属温度计稳定运行，就显得尤为重要。我们在这里专门对双金属温度计如何在强振动工况下的改进措施进行了详细的分析，并对在四川石化现场的实际应用进行了介绍。
关键词：振动，双金属温度计，频率
1现场振动工况分析
石油化工装置或设备中的振动问题一直是一个世界性的难题，它涉及到多种学科：如流体力学、动力学、固体力学、以及振动理论、响应谱理论、时效分析等，处理起来非常复杂繁琐。同时，它的随机性、偶然性也很强，甚至有些振动问题在理论上还没有突破瓶颈，行业内还在对此问题进行完善，不断再认识发展。
振动工况以及一般相应的处理措施包括如下几个方面：
（1）自然力风或者地震引起的振动，按照设计规范进行规避；
（2）对于管道内流体的流动引起的全管系的振动，通常表现在对现场工艺的合理设计和具体的操作进行规范。这其中包括操作条件
的规定、流体的流速控制以避免水锤现象，管径规格大小的选择以确保管道的刚度，管道走线的合理布局以减小冲击和规避块状流、塞状流，流体严格的流量控制以规避喘振引起的管道振动。
（3）对现场装置或设备本身引起的管道振动，一般从其本身构造的特点，基础的设计以及施工的缺陷上找原因。通常应用有限元分析软件进行振动核算，将管道振动消灭在设计阶段。
2现场仪表如何规避介质流动引起的共振
前面我们叙述了常见的几种振动工况，但是即使管道本身在合理安全的振动频率区间，也不一定适合现场仪表。
我们知道任何一个有质量的物体都有其固有频率（或者叫做自然频率fn），现场仪表主要是其保护装置在插入管道置于流体的高速流动冲击下将受到振动载荷（外来简谐力）的作用，进而产生无阻尼的强迫振动，现场仪表被迫以激励频率fs 进行振动。
若要保证现场仪表安全可靠的运行，依据振动理论，激励频率与
自然频率之比应满足以下条件：fs / f n ≤0.8
（备注：有些资料要求核算的公式是fs/fn≤0.8 或fs/fn≥1.3， 此种情况实际上是没有考虑现场设备管道在关停机过程，激励频率的下降导致的共振区间，参见ASME PTC19.3 的相关论述）
由此可知，振动强度的核算实际上是计算现场仪表的保护套管的自然频率 fn 与工况条件下激励频率 fs ，以及他们的比值，只要在设计时保证满足上述公式核算要求即可，这里我们不再赘述。
3常规双金属温度计结构介绍
双金属温度计是将绕成螺纹旋形的热双金属片作为感温器件，并把它装在保护套管内，其中一端固定，称为固定端，另一端连接在一根细轴上，称为自由端。在自由端线轴上装有指针，当温度发生变化时，感温器件的自由端随之发生转动，带动细轴上的指针产生角度变化，在标度盘上指示对应的温度，这就是双金属片温度计的常规结构。
此类产品在工业现场具有测温迅速直观、无需外接电源、价格低廉的诸多优点。一直是现场温控不可缺少的产品。
但是由于温度计受自身测温原理所限，探头部分测温元件热膨胀变形力量很小，与此搭配的温度计指针小巧，转动灵活，导致结构脆弱，无法满足在强振动条件下使用。
为了保证能够在强振动条件下的使用，一般采用表盘充油方式， 以延缓抵消指针的振动导致的读数不便。常规结构示意图如下：
此种做法目前在市场是比较常见，但通常有质量不稳定的现象， 主要问题集中在壳体结构不合理，密封措施不到位，质量不甚理想。
4耐振双金属温度计改进措施
针对上述情况，我们主要依据中国石油四川石化有限责任公司生产现场的工况参数，进行专项工艺攻关。
4.1现场主要技术指标（来源于四川石化现场装置）： 装置名称 轻烃回收装置螺杆机
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振动速度 25.9mm/s
4.2主要性能指标：
测温范围-50～300℃，温度一致性±2℃、精度不低于 1.5%。采用产品标准：JB/T 8803-2015。
4.3改进措施
结合实际振动工况，我们发现一般市场上的充硅油双金属温度计通常无法在如此激烈的振动条件下稳定运行。并且，充灌口一般都设计在表壳背面，采用螺钉孔密封，然而一个普通的螺纹孔由于加工误差、装配精度等因素不可能彻底解决密封问题，存在泄漏风险和缺陷。同时，背后充灌存在密封空间增大、泄漏风险增加的问题。
基于此原因，我们采用了全新的密封结构和充灌方式。
在密封结构上，我们重新设计了仪表壳体，保证密封的可靠性，
壳体采用旋转扣压方式，可以自动锁死壳体。经过大量的振动试验验证，这种方式的稳定性和可靠性都非常理想；
在充灌方式上，我们采用正面充灌，然后直接壳体、表盖密封， 由于少了充油口，减少了泄漏风险。同时，此种密封结构新颖，性能可靠，处于行业领先水平。
产品采用的扣压方式，以及结构示意图如下：
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按照开发节奏，我们通过小样制作，然后实验验证，充分的验证了产品的可靠性，确定较好的效果。验证方法包括，常规实验检测， 振动试验检测，产品防护等级第三方检测（IP68）以及四川石化基现场的使用，效果良好。
5结束语
结合实际情况，耐振双金属温度计目前已经使用在石油、化工、动力工程、管道等领域的温度采集点，主要针对性应用于环境有振动的场所。相比较普通产品，其性能的稳定性，一定会推动其更好的应用，我们也相信此类产品将来会有更广阔的应用空间。
参考文献：
［1］王魁汉著. 温度测量实用技术. 机械工业出版社，2007 年 1 月.
［2］唐永进著. 压力管道应力分析. 北京：中国石化出版社，2003
年 11 月（第 1 版）.
［3］ASME PTC 19.3 TW-2010，Thermowells.
［4］ASME B31.1-2010，Power Piping (ASME Code for Pressure Piping,
B31)
［5］陈卓如，王洪杰，刘全忠等主编. 工程流体力学 第三版. 高等
教育出版社，2013 年