在石油化工生產(chǎn)過程的測量和控制中，溫度是最基本的參數(shù)之一。按照溫度計(jì)的感溫部分是否與被測介質(zhì)相接觸，溫度測量儀表可分為接觸式與非接觸式兩大類。在現(xiàn)代化的石油化工裝置中，接觸式溫度儀表依據(jù)測量原理主要分為以下幾種：熱膨脹式溫度計(jì)(固體、液體、氣體)，熱電阻，壓力式溫度計(jì)，熱電偶。
由于溫度計(jì)的感溫部分要與被測介質(zhì)相接觸，因此感溫部分的保護(hù)顯得尤為重要。為了保護(hù)溫度計(jì)的感溫部分免受測量介質(zhì)的沖刷和腐蝕，并使得溫度儀表的輸出能夠精確地反映被測介質(zhì)溫度的高低，各種測溫儀表均帶有套管。
根據(jù)ASME PTC 19.3(ASME性能試驗(yàn)規(guī)范儀表和儀器補(bǔ)遺-溫度儀表)的要求，溫度計(jì)套管在制造加工前必須進(jìn)行工藝介質(zhì)流速狀況下的計(jì)算，溫度計(jì)套管的形狀和結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該依據(jù)介質(zhì)的溫度、壓力、密度和流速及所需插入長度而定。影響溫度計(jì)套管強(qiáng)度的因素有流動引起的振動、流動引起的應(yīng)力及流動引起的過程壓力等。在工藝工況穩(wěn)定的前提下，流動引起的振動對溫度計(jì)套管產(chǎn)生的影響最大。下面通過計(jì)算來介紹流動引起的振動對溫度計(jì)套管的影響以及如何減小此影響的方法。
溫度計(jì)套管性能計(jì)算
簡諧運(yùn)動的振動頻率是由振動物體本身的性質(zhì)決定的，所以叫固有頻率(fn)。固有頻率與物體的密度、外形等物理因素有關(guān)。在流體前進(jìn)的路徑上放置一個(gè)非流線型的物體，有時(shí)會在物體后面發(fā)生一個(gè)規(guī)則的振動運(yùn)動。1911年，匈牙利科學(xué)家卡曼專門研究了這種圓柱背后渦流的運(yùn)動規(guī)律。研究表明，圓柱背后生成的旋渦是交替脫落、在尾流中交叉排列，旋轉(zhuǎn)方向相反的有規(guī)則的兩行渦列，故稱為卡曼渦街。
物體后面放出旋渦的頻率稱為渦區(qū)頻率(fw)。渦區(qū)頻率與物體的形狀和流速有關(guān)。即
，式中St為斯特羅哈系數(shù)，在雷諾數(shù)為5×102～15×104的范圍內(nèi)，St基本上是一個(gè)常數(shù)，對于圓柱體St=0.20；v為流體流速，m/s；d為圓柱直徑，m。對卡曼渦街的研究發(fā)現(xiàn)，由于柱面上的渦以一定的頻率交替脫落，因而柱面壓力和切向力也以相同的頻率發(fā)生規(guī)則的變化，產(chǎn)生交變的橫向力，如果這個(gè)施加在圓柱上的橫向交變力與圓柱的固有頻率相等，就會引起柱的共振， 使其振幅越來越大直至破壞。
因此，對于溫度計(jì)套管來說，應(yīng)使溫度計(jì)套管的fn和fw滿足一定的關(guān)系，以避免共振的產(chǎn)生， 防止損壞溫度計(jì)套管和套管內(nèi)的傳感器。在ASME PTC 19.3中對此做了明確的規(guī)定：fw/fn＜0.8[即(溫度計(jì)套管渦區(qū)頻率÷溫度計(jì)套管固有頻率)＜0.8]。
1、溫度計(jì)套管固有頻率的計(jì)算公式
式中Kf為溫度計(jì)套管的結(jié)構(gòu)系數(shù)(Kf與套管的內(nèi)徑D0，根部直徑D1，頂部直徑D2有關(guān)，決定溫度計(jì)套管的外形，從而影響套管的固有頻率)；L為溫度計(jì)套管的插入深度，m；E為溫度計(jì)套管材料在使用溫度下的彈性模量；ρ為溫度計(jì)套管材料在使用溫度下的密度，kg/m3。
2、溫度計(jì)套管渦區(qū)頻率的計(jì)算公式
式中St為斯特羅哈系數(shù)，在雷諾數(shù)為5×102～15×104的范圍內(nèi)，St基本上是一個(gè)常數(shù)，對于圓柱體St=0.20；v為流體流速，m/s；B為為溫度計(jì)套管的結(jié)構(gòu)尺寸系數(shù)，一般等于套管根部直徑，m。
3、溫度計(jì)套管性能計(jì)算實(shí)例
可以利用上面的公式對溫度計(jì)套管進(jìn)行計(jì)算，昌暉儀表舉例說明。
例如，假設(shè)一支溫度計(jì)套管B=25mm，Kf=3.06×10-3，L=550mm，v=27.95m/s，E=1.9×1011Pa，ρ=7916.48kg/m3。在計(jì)算時(shí)，所有單位都采用國際單位制。
由于fw/fn遠(yuǎn)大于0.8，根據(jù)ASME PTC 19.3的要求，此溫度計(jì)套管是不符合標(biāo)準(zhǔn)的，若對此不加以改進(jìn)，將會使溫度計(jì)套管日后在一種“危險(xiǎn)”的狀態(tài)下工作。可以通過減少溫度計(jì)套管的插入深度，同時(shí)加粗套管根部直徑的辦法來使fw/fn小于0.8，將插入深度改為L=250mm，根部直徑改為B=30mm，則
利用上面的公式可以方便地進(jìn)行溫度計(jì)套管性能計(jì)算，可使溫度計(jì)套管在設(shè)計(jì)、選型過程中更加安全、可靠，從而在實(shí)際生產(chǎn)過程中避免事故的發(fā)生 。
在石油化工裝置的設(shè)計(jì)過程中，溫度儀表的設(shè)計(jì)、選型數(shù)量很多而且地位也很重要。對于溫度測量有時(shí)也許不像對液位和流量的測量那樣豐富多 彩，那么具有挑戰(zhàn)性，但對于一個(gè)設(shè)計(jì)工程師而言，不要認(rèn)為“我們一直是這樣做的”便是最合適的、最好的，為了盡可能準(zhǔn)確反映流體溫度和保護(hù)溫度計(jì)的感溫部分免受測量介質(zhì)對其沖刷和腐蝕，應(yīng)該對溫度計(jì)套管在設(shè)計(jì)、制造加工前必須進(jìn)行工藝介質(zhì)流速狀況下的計(jì)算，從而保證溫度儀表安全、準(zhǔn)確地投入使用。
作者：漢建德、郭峰、趙瓊
