Что общего между нефтедобывающей платформой, промышленным дымоходом, автомобильной антенной и защитной гильзой термометра?

В защитных гильзах используется то, что хорошо зарекомендовало себя в морской технике, архитектуре и автомобилестроении для снижения вибровозбуждения до безопасного уровня: спираль.

Если тело обтекается ветром, например труба отходящих газов или защитная гильза технологической средой, развивается так называемая вихревая дорожка Кармана.

 При этом явлении при определенных условиях течения за телом защитной гильзы термометра в трубопроводе создаются два ряда вихрей с противоположными направлениями вращения. Вихри могут выходить в противофазе справа и слева от защитной гильзы и вызывать ее колебания. Если частота выхода вихрей равна собственной частоте защитной трубки, это может привести к резонансу: если сопротивление недостаточно, тело уже не сможет справляться с изменяющимися изгибающими напряжениями, вызванными колебанием, и в определенный момент времени гильза может отломиться в области крепления.

Новые стандарты и требования после аварии на реакторе

С середины прошлого века техники и инженеры работают над разработкой принципов расчета для предотвращения вибрационных отказов защитных гильз. Эти усилия были подкреплены аварией на японской АЭС Мондзю в 1995 году. Большое количество натрия вытекло из реактора через негерметичность в контуре охлаждения, вызванную отрывом защитной гильзы из-за турбулентности. Отчет, опубликованный в 2010 году Американским обществом инженеров‑механиков (ASME), был создан в ответ на инцидент в Мондзю. Этот «Кодекс испытаний производительности» считается международно признанным стандартом для расчета устойчивости защитных гильз как со статической, так и с динамической точки зрения при определенных условиях потока.

Обе части расчета могут закончиться отрицательным результатом. Если защитную гильзу необходимо оптимизировать в рамках ASME PTC 19.3 TW2010, этот стандарт допускает только два варианта: сокращение свободной монтажной длины или увеличение диаметра защитной гильзы. Оба варианта имеют потенциальные недостатки: либо защитная гильза больше не погружается в трубопровод достаточно далеко, чтобы датчик температуры мог выдать достоверный результат измерения, либо больший диаметр защитной гильзы влияет на время срабатывания термометра из-за его толстой стенки. 

Чтобы выйти из такой ситуации, операторы установок и поставщики по всему миру часто прибегают к поддержке фланцевого раструба с помощью анкеров или распорных колец. Это придает защитной гильзе дополнительную опору и тем самым уменьшает свободную монтажную длину. Кроме того, международные стандарты требуют для такой конструкции без зазорной посадки, «посадки с натягом»: поскольку каждый опорный анкер имеет увеличенный размер, его необходимо индивидуально вставлять в посадочное гнездо — трудоемкая и, следовательно, дорогая процедура. 

Этот метод требует чрезвычайно точной работы. Например, если с анкера снято слишком много материала всего на несколько десятых миллиметра, усилия окажутся напрасными и защитная гильза будет непригодна для эксплуатации.

Конструкция соответствует дизайну Scruton

Пользователи теперь могут положиться на другое решение этой проблемы: компания «НТА-Пром» выводит на российский рынок защитные гильзы конструкции ScrutonWell, которые характеризуются наличием геликоидных спиралей. Название ScrutonWell указывает на которой основана конструкция защитной гильзы. В 1963 году в Лондоне английский ученый Кристофер Скратон исследовал стабилизацию строительных конструкций, таких как дымоходы, с учетом возбуждения вибрации за счет образования вихрей. Число Скратона NSc названо в его честь. Этот параметр массового затухания используется в ASME PTC 19.3 TW-2010 для оценки результатов динамических расчетов.

Результатом исследований Скратона было наматывание спирали вокруг цилиндрических тел, подвергающихся воздействию потока. Типичными примерами этого являются, как уже упоминалось, райзеры и плавучие тела морских буровых платформ, металлические промышленные дымоходы или автомобильные антенны. Перенесенный в защитную гильзу «эффект Скрутона» заставляет геликоидные спирали прерывать поток технологической среды и отклонять его в разные стороны. Таким образом, образование вихрей больше не происходит в одной и той же точке защитной гильзы и в то же время их амплитуды уменьшаются. Это означает, что защитную гильзу больше невозможно заставить вибрировать. Тем самым предотвращается причина большинства отказов защитных гильз — динамические вибрационные разрушения (см. рис. 2).

Испытания в TU Freiberg

Научное обоснование эффективности новой конструкции защитной гильзы были подтверждены в независимых лабораторных испытаниях Института механики и гидродинамики Технического университета Берг академии Фрайберг. Где были протестированы динамические вибрационные характеристики моделей защитных гильз с обычным плунжерным валом и с конструкцией с геликоидными спиралями в проточном канале. Модели изготавливались из материалов-заменителей с точно определенными параметрами, чтобы результаты можно было перенести на обычные нержавеющие стали или специальные материалы. Испытания в проточном канале проводились двумя разными способами. Используя метод «подсветки», ученые исследовали колебательные движения защитной гильзы. Они также проанализировали точные условия течения жидкости с помощью лазерно‑индуцированной флуоресценции.

Результаты обоих методов вместе демонстрируют, что новая конструкция снижает вибрационное возбуждение более чем на 90%. Тем самым они подтверждают содержание специальной статьи «Экспериментальные исследования эффективности винтовых полос круглого сечения в подавлении вихревых вибраций», опубликованной ASME Норвежским университетом науки и технологий. В ходе обширных исследований университет продемонстрировал демпфирование амплитуды колебаний на 96 % в основном резонансе поперек направления потока и на 97 % в линейном резонансе в направлении потока.

Хотя конструкция гильзы с геликоидными спиралями предотвращает возможные вибрации, при расчете статики защитной гильзы необходимо учитывать, что спираль увеличивает диаметр поперечного сечения защитной гильзы, подвергающегося воздействию потока. Это увеличивает статическую изгибающую нагрузку при переходе к технологическому присоединению в области диаметра основания. Однако новая конструкция не влияет на нагрузку давлением на толщину стенки защитной трубки. Эти два параметра статической нагрузки защитной гильзы можно рассчитать на основе ASME PTC 19.3 TW-2010.

Два типа производства

Размеры спирали в конструкции защитной гильзы соответствуют современному уровню техники, как указано в большом количестве патентов, стандартов и специальных статей. Например, стандарт DIN EN 1993-3-2 описывает трехзаходную спираль с шагом, в пять раз превышающим диаметр защитной трубки, и размером спирали примерно от 0,12 до 0,15 диаметра.

Защитные гильзы термометров изготавливаются цельноточенными или с приваренными круглыми стержнями. В качестве технологических присоединений предпочтительны фланцы, но конструкция также подходит для резьбовых или приварных защитных гильз. Монтаж и демонтаж выполняются так же быстро и без проблем, как и при использовании стандартных защитных гильз.

Заключение

Научно подтверждено, что защитные гильзы с геликоидными спиралями фактически представляют собой эффективную альтернативу вариантам с опорными анкерами, укороченной свободной монтажной длиной или увеличенным диаметром. В критических точках измерения пользователи могут избежать компромисса между стабильностью и требованиями к измерению температуры. С учетом общей стоимости владения защитные гильзы ScrutonWell представляют собой лучшее решение, несмотря на более высокую закупочную цену по сравнению со стандартной моделью, поскольку нет необходимости выполнять сложные монтажные работы.