昌暉儀表制造有限公司在溫度計套管的設(shè)計過程中，通常按照下圖中的步驟進(jìn)行溫度計套管強度計算和應(yīng)力分析。如果計算結(jié)果不滿足相關(guān)要求， 則需調(diào)整溫度計套管數(shù)據(jù)重新計算，直到滿足要求為止。



根據(jù)共振產(chǎn)生的機理和計算公式，影響溫度計套管固有頻率的主要因素有套管材料的彈性模量和密度以及溫度計套管的尺寸(插入深度、端部尺寸和根部尺寸)，影響激勵頻率的主要因素有介質(zhì)的流速、雷諾數(shù)和溫度計套管端部尺寸。改進(jìn)溫度計套管時，盡量增大套管固有頻率，減小激勵頻率，從而保證滿足頻率限制條件，避免共振的產(chǎn)生。

在考慮溫度計套管改進(jìn)措施時，介質(zhì)的密度、黏度、流速是工藝參數(shù)要求，是固定不變的常數(shù)，只能從溫度計套管的材料和尺寸上著手進(jìn)行調(diào)整。從表1可以看出，各種常用材料之間的彈性模量差別不大，且其比值的開方才作為影響固有頻率的系數(shù)。因此，為了滿足頻率限制條件而調(diào)整溫度計套管材質(zhì)選用彈性模量的方法不足取。

表1 溫度計套管材質(zhì)的彈性模量的取值(×6.9MPa)



溫度計套管改進(jìn)措施
1、縮短溫度計套管長度
縮短保護(hù)套管長度能有效提高套管固有頻率，并提高套管強度，此方法是實際應(yīng)用中最常用的方法。但縮短多少要看具體情況，原則上，溫度計套管插入深度應(yīng)能使測溫元件能反映被測介質(zhì)的真實溫度為宜。

通常情況下，由于管道與環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)，管道內(nèi)介質(zhì)溫度會出現(xiàn)分層，管道中心的溫度會高于靠近管道壁的溫度，這種現(xiàn)象在高溫介質(zhì)時會更加明顯。溫度分層現(xiàn)象會導(dǎo)致測量誤差，為了減少誤差，溫度計套管應(yīng)盡量長一些，而溫度計套管太長會增加產(chǎn)生共振的可能性。因此，溫度計套管插入深度的選擇需要權(quán)衡測量誤差和共振之間的利弊。

對于低密度低流速介質(zhì)，溫度分層現(xiàn)象會更加明顯，而介質(zhì)流過溫度計套管產(chǎn)生的激勵頻率較小，從而引起共振的可能性也相對較小，此時，溫度計套管插入深度可以選擇長一些。反之，類似高壓過熱蒸汽等介質(zhì)，密度大流速快，流過溫度計套管產(chǎn)生的激勵頻率較大，只能犧牲一些測量精度來增大溫度計套管固有頻率，此時，溫度計套管插入深度以測溫元件能完全浸入到介質(zhì)中為原則盡量短。

2、改變溫度計套管的外形結(jié)構(gòu)
從表2溫度計套管尺寸與溫度計套管固有頻率的對應(yīng)關(guān)系可以看出，對于頂部尺寸相同的直形溫度計套管和錐形溫度計套管，錐形溫度計套管有更大的固有頻率，因而，錐形溫度計套管更容易滿足頻率限制條件。考慮到裝置運行過程中有可能出現(xiàn)超出工藝設(shè)計要求的極端情況，在項目投資允許的情況下，可以統(tǒng)一選用鉆孔錐形溫度計套管。

表2 套管尺寸與套管固有頻率的對應(yīng)關(guān)系



注：以上數(shù)據(jù)基于如下特定工況：溫度計套管材質(zhì)為碳鋼，過程連接為法蘭連接，介質(zhì)密度為8kg/m3，套管內(nèi)徑為5.5mm。

3、改變溫度計套管的內(nèi)外徑
從表2溫度計套管尺寸與溫度計套管固有頻率的對應(yīng)關(guān)系可以看出，增大溫度計套管的直徑可以增大溫度計套管固有頻率，減小產(chǎn)生共振的可能，但是，增大溫度計套管厚度會降低溫度計套管的熱傳導(dǎo)速度和增加加工成本，昌暉儀表建議應(yīng)根據(jù)工藝要求酌情處理。

4、改變溫度計套管的安裝位置
如果以上改進(jìn)措施仍然無法滿足要求時 ，可以考慮將溫度計套管安裝在彎管處，溫度計套管端部應(yīng)逆著介質(zhì)流動的方向。由于在彎管處存在湍流，對彎管中的流體建模極其困難，ASME PTC19.3 TW-2016出于保守考慮，未對此種安裝方式提出指導(dǎo)性意見，昌暉儀表建議項目實施時應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

5、其他特殊方式
特殊情況下，還可以通過增加其他輔助裝置的方法來改進(jìn)溫度計套管強度。具體措施為：在溫度計套管的插入端增加一個保護(hù)圈，起到支撐作用。這樣縮短了懸臂的長度，大幅度減小了溫度計套管端部的振幅。采用此改進(jìn)措施的注意事項：保護(hù)圈和支管之間的距離公差為1mm, 且支管內(nèi)部需要打磨光滑以便于安裝，如下圖所示。



有時還可以通過改變溫度計套管的過程連接形式來縮短套管長度。例如，將套管的過程連接形式由法蘭連接改為焊接，這種方式雖然減小了溫度計套管插入深度，但是同時也降低了溫度計套管的耐疲勞度。此方法在試圖滿足fs<0.4fn(激勵頻率＜0.4套管固有頻率)時可以選用，而在試圖滿足fs<0.8fn(激勵頻率＜0.8套管固有頻率)時會起到反效果，因為它使軸向共振周期應(yīng)力條件更不容易滿足。

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◆什么工況下溫度計套管要進(jìn)行頻率計算
◆溫度計套管的錐形桿尖端厚度至少為多少