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



根據(jù)共振產(chǎn)生的機(jī)理和計(jì)算公式，影響溫度計(jì)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(jì)套管的尺寸(插入深度、端部尺寸和根部尺寸)，影響激勵(lì)頻率的主要因素有介質(zhì)的流速、雷諾數(shù)和溫度計(jì)套管端部尺寸。改進(jìn)溫度計(jì)套管時(shí)，盡量增大套管固有頻率，減小激勵(lì)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(jì)套管改進(jìn)措施時(shí)，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(jì)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(kāi)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(jì)套管材質(zhì)選用彈性模量的方法不足取。

表1 溫度計(jì)套管材質(zhì)的彈性模量的取值(×6.9MPa)



溫度計(jì)套管改進(jìn)措施
1、縮短溫度計(jì)套管長(zhǎng)度
縮短保護(hù)套管長(zhǎng)度能有效提高套管固有頻率，并提高套管強(qiáng)度，此方法是實(shí)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(jì)套管插入深度應(yīng)能使測(cè)溫元件能反映被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)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(huì)出現(xiàn)分層，管道中心的溫度會(huì)高于靠近管道壁的溫度，這種現(xiàn)象在高溫介質(zhì)時(shí)會(huì)更加明顯。溫度分層現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，為了減少誤差，溫度計(jì)套管應(yīng)盡量長(zhǎng)一些，而溫度計(jì)套管太長(zhǎng)會(huì)增加產(chǎn)生共振的可能性。因此，溫度計(jì)套管插入深度的選擇需要權(quán)衡測(cè)量誤差和共振之間的利弊。

對(duì)于低密度低流速介質(zhì)，溫度分層現(xiàn)象會(huì)更加明顯，而介質(zhì)流過(guò)溫度計(jì)套管產(chǎn)生的激勵(lì)頻率較小，從而引起共振的可能性也相對(duì)較小，此時(shí)，溫度計(jì)套管插入深度可以選擇長(zhǎng)一些。反之，類似高壓過(guò)熱蒸汽等介質(zhì)，密度大流速快，流過(guò)溫度計(jì)套管產(chǎn)生的激勵(lì)頻率較大，只能犧牲一些測(cè)量精度來(lái)增大溫度計(jì)套管固有頻率，此時(shí)，溫度計(jì)套管插入深度以測(cè)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(jì)套管的外形結(jié)構(gòu)
從表2溫度計(jì)套管尺寸與溫度計(jì)套管固有頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，對(duì)于頂部尺寸相同的直形溫度計(jì)套管和錐形溫度計(jì)套管，錐形溫度計(jì)套管有更大的固有頻率，因而，錐形溫度計(jì)套管更容易滿足頻率限制條件?？紤]到裝置運(yùn)行過(guò)程中有可能出現(xiàn)超出工藝設(shè)計(jì)要求的極端情況，在項(xiàng)目投資允許的情況下，可以統(tǒng)一選用鉆孔錐形溫度計(jì)套管。

表2 套管尺寸與套管固有頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系



注：以上數(shù)據(jù)基于如下特定工況：溫度計(jì)套管材質(zhì)為碳鋼，過(guò)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(jì)套管的內(nèi)外徑
從表2溫度計(jì)套管尺寸與溫度計(jì)套管固有頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，增大溫度計(jì)套管的直徑可以增大溫度計(jì)套管固有頻率，減小產(chǎn)生共振的可能，但是，增大溫度計(jì)套管厚度會(huì)降低溫度計(jì)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(jì)套管的安裝位置
如果以上改進(jìn)措施仍然無(wú)法滿足要求時(shí) ，可以考慮將溫度計(jì)套管安裝在彎管處，溫度計(jì)套管端部應(yīng)逆著介質(zhì)流動(dòng)的方向。由于在彎管處存在湍流，對(duì)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(duì)此種安裝方式提出指導(dǎo)性意見(jiàn)，昌暉儀表建議項(xiàng)目實(shí)施時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

5、其他特殊方式
特殊情況下，還可以通過(guò)增加其他輔助裝置的方法來(lái)改進(jìn)溫度計(jì)套管強(qiáng)度。具體措施為：在溫度計(jì)套管的插入端增加一個(gè)保護(hù)圈，起到支撐作用。這樣縮短了懸臂的長(zhǎng)度，大幅度減小了溫度計(jì)套管端部的振幅。采用此改進(jìn)措施的注意事項(xiàng)：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(shí)還可以通過(guò)改變溫度計(jì)套管的過(guò)程連接形式來(lái)縮短套管長(zhǎng)度。例如，將套管的過(guò)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(jì)套管插入深度，但是同時(shí)也降低了溫度計(jì)套管的耐疲勞度。此方法在試圖滿足fs<0.4fn(激勵(lì)頻率＜0.4套管固有頻率)時(shí)可以選用，而在試圖滿足fs<0.8fn(激勵(lì)頻率＜0.8套管固有頻率)時(shí)會(huì)起到反效果，因?yàn)樗馆S向共振周期應(yīng)力條件更不容易滿足。

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