漢建德，華霄峰

（1.中石化寧波工程有限公司，浙江寧波 315103；2.浙江拓峰科技有限公司，杭州 310012）

溫度是一個基本的物理量，它是各類生產(chǎn)過程中應(yīng)用最普遍、最重要的工藝參數(shù)。按照溫度測量儀表的感溫部分是否與被測介質(zhì)相接觸，可分為接觸式與非接觸式兩大類。接觸式的溫度儀表（熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計等）用于工業(yè)管道中進(jìn)行溫度的測量時，一般情況下都要配用溫度計保護(hù)套管。

保護(hù)套管的性能涉及到強(qiáng)度和各種熱效因素。一般來說，保護(hù)套管壁厚的增加能提高應(yīng)力強(qiáng)度，但是壁厚的增加會增加傳感器的熱惰性，即傳感器對溫度反應(yīng)變慢。保護(hù)套管各要素（不包括材料特性和結(jié)構(gòu)形狀等）之間的關(guān)系見表1所列。

表1 溫度計保護(hù)套管各要素之間的關(guān)系

從表1中可以看出，設(shè)計和選用一個“合適”的保護(hù)套管，需平衡各種因素，以達(dá)到多快好省的目的。導(dǎo)致保護(hù)套管損壞的原因：保護(hù)套管在使用過程中承受了外部的靜態(tài)壓力、穩(wěn)態(tài)流體的沖擊力和振動荷載后，在其內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料本身的許用應(yīng)力。因此，在保護(hù)套管設(shè)計和選用時，通過計算來確定材料本身的許用應(yīng)力和使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力之間的關(guān)系成為保證保護(hù)套管安全使用的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［1］就“溫度計套管的振動頻率內(nèi)容”進(jìn)行過簡單的探討，隨著對此問題的不斷關(guān)注以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新，筆者就溫度計保護(hù)套管的性能、振動以及受力分析等內(nèi)容作進(jìn)一步的研究，以期與各位同行共同探討。

1 保護(hù)套管的計算

1.1 保護(hù)套管計算的假定

保護(hù)套管計算主要從保護(hù)套管的振動和受力兩方面考慮，而且在計算前必須做部分的假定，否則計算將無法進(jìn)行。

a）假定保護(hù)套管沿其軸向（即管道徑向）承受均布載荷。事實上，流體（如氣流）在管內(nèi)流動時，其速度分布呈拋物線型，沿管道徑向各點流體的速度是不同的。

b）假定保護(hù)套管僅受外壓，內(nèi)壓等于零。

c）假定套管的阻尼因素為零（即套管的振動為無阻尼的強(qiáng)迫振動）。

d）假定卡曼渦流形成的力等于流速壓力。

上述這些假定，都是為了計算方便而給出的簡化條件，同時也是保守而安全的假定。實際中套管的振動肯定存在一定的阻尼，而且卡曼渦流形成的力也是低于流速的壓力。

1.2 保護(hù)套管的振動

當(dāng)測量流動介質(zhì)時，介質(zhì)會有外力作用于保護(hù)套管上，這種力的作用所產(chǎn)生的激勵頻率fs愈接近保護(hù)套管自身的自然頻率fn時，振動就會加?。划?dāng)fs＝fn時，溫度計套管將由于強(qiáng)烈振動而損壞。這種現(xiàn)象叫做“共振”，在力學(xué)上也稱之為“拍”的現(xiàn)象。

當(dāng)流體流經(jīng)保護(hù)套管時，由于保護(hù)套管對流體的遮擋作用導(dǎo)致流體的動量發(fā)生改變，而這將會在套管后部產(chǎn)生一個湍流尾流，并且這個尾流內(nèi)會形成一個漩渦（卡曼漩渦）?？鰷u直接作用于套管體上，對套管會產(chǎn)生兩種周期性變化的力：流向力方向是沿著流體流動的方向；橫向力與流體流動方向垂直。如圖1所示。

圖1 溫度計保護(hù)套管受力示意

1.2.1 fs的確定

當(dāng)保護(hù)套管套入到被測介質(zhì)時，在振動載荷的沖擊下會產(chǎn)生無阻尼的強(qiáng)迫振動，此時保護(hù)套管被施以外力頻率振動。此外力頻率即為卡曼渦流產(chǎn)生的斯特勞哈爾（Strouhal）頻率（也稱激勵頻率），用fs表示。根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論得知，fs與介質(zhì)流速成正比，與保護(hù)套管端部直徑成反比，其計算公式為

式中：v——介質(zhì)的流體流速，m／s；B——保護(hù)套管的端部外徑，m；Ns——斯特勞哈爾系數(shù)，是一個無量綱的常數(shù)，它與管道中介質(zhì)的雷諾數(shù)Re有關(guān)。對于圓柱體而言，Ns的確定可以通過查表或計算得出，計算公式如下：

Re與套管的端部外徑、流體介質(zhì)動力黏度、動黏滯率以及流體介質(zhì)的密度有關(guān)，其計算公式如下：

式中：μ——動態(tài)黏滯度；u——動黏滯率；ρ——流動條件下的流體密度。

在保護(hù)套管的設(shè)計選用過程中，Ns也可以經(jīng)簡化后，取一個較為保守的數(shù)值進(jìn)行計算：

若Re近似為100，則Ns受流體黏度的影響將很小；若Re在103～5×105，只需保證此黏度在因數(shù)2以內(nèi)；若Re大于5×105，則可以查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)來獲得典型的黏度數(shù)值；如果黏度很難確定，則使用式（4）來計算Ns。

1.2.2 fn的確定

任何一個有質(zhì)量的物體，均有其固有頻率或稱自然頻率，用fn表示。決定保護(hù)套管fn的因素包括套管直徑（包括外徑和內(nèi)徑）、長度（包括外部長度和內(nèi)孔長度）、套管的彈性模量、密度、被測介質(zhì)的操作溫度等。其中套管材料的彈性模量和密度將隨著介質(zhì)的操作溫度升高而下降，并且彈性模量的降低要比密度的降低大得多。

關(guān)于fn計算，目前常用的有ASME PTC 19.3 TW—2010中所描述的方法、李滋法計算方法、天津中環(huán)溫度儀表有限公司的“有限單元法”，除此之外還有雷列能量法、鄧克利累加法等。下面將介紹幾種常用的計算方法。

1.2.2.1 ASME PTC 19.3TW—2010中所描述的方法

在ASME PTC 19.3TW—2010第6.5節(jié)（保護(hù)套管的自然頻率）中，對于怎樣確定一支溫度計保護(hù)套管的fn有較為詳細(xì)的描述。溫度計保護(hù)套管的自然頻率是以下參數(shù)的函數(shù)：套管的彈性模量；套管材質(zhì)的密度；小數(shù)值L／A的切變與轉(zhuǎn)動慣量；支架匹配度；流體附加的質(zhì)量；傳感器附加的質(zhì)量。

在該標(biāo)準(zhǔn)中，fn的確定是通過將一系列校正參數(shù)應(yīng)用到一個將實際溫度計套管直徑進(jìn)行平均的理想化的模型上，從而建立了fn的保守估計算法。同時該標(biāo)準(zhǔn)也認(rèn)為，雖然一個溫度計套管有無窮多個振動方式，但基頻fn1是決定能否誘發(fā)共振的最主要因素，因而在計算fn時主要考慮fn1即可。基頻fn1的計算和修正步驟如下：

步驟1：計算溫度計套管的平均外徑Da。對于圓柱形溫度計套管，Da是圓柱的外徑；對于錐形溫度計套管，設(shè)Da＝（A＋B）／2；對于階梯形的溫度計套管，設(shè)Da＝A。

步驟2：計算溫度計套管的近似自然頻率：

式中：E——保護(hù)套管材料在使用溫度下的彈性模量，KPa；I——第二轉(zhuǎn)動慣量，I＝π（D4a－d4）／64；L——套管長度，m；m——套管每單位長度的質(zhì)量，m＝ρmπ（D2a－d2）／4。

步驟3：計算校正參數(shù)Hf。對于圓柱形或錐形的溫度計套管，使用關(guān)系式：

式中：A——溫度計套管的根部直徑；Da——溫度計套管的平均外徑，Da＝（A＋B）／2；d＝溫度計套管的內(nèi)徑。

對于階梯形溫度計套管，使用關(guān)系式：

式中：ci——參數(shù)，可在文獻(xiàn)［2］中第6.5.3節(jié)中查詢；Ls——溫度計套管小直徑部分的長度。不允許對表6－5.3－1記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，盡管設(shè)計者可以用近似的橫柄模型或有限元法來確定其他尺寸溫度計套管的Hf。

對于（L／A）＞10和A＝B的細(xì)長的溫度計套管，Hf的值將近似為1；對于短的或那些A≠B的溫度計套管，Hf的數(shù)值將根據(jù)具體的錐度比、內(nèi)徑及存在的階梯數(shù)來決定，數(shù)值近似為0.6～1.5。

步驟4：計算流體的附加質(zhì)量修正參數(shù)Ha，f：

或者作為另一種選擇，對于蒸汽或類似低密度的氣體設(shè)Ha，f＝1.0，對液態(tài)水設(shè)Ha，f＝0.94。對于高密度的液體，Ha，f也許會大幅減?。ū热纾瑢α黧w密度為1 600kg／m3和密度為8 000kg／m3的溫度計套管設(shè)置Ha，f＝0.90）。

步驟5：計算傳感器質(zhì)量修正參數(shù)Ha，s：

式中：ρs——套管內(nèi)的溫度計的平均密度；ρm——溫度計套管材料的密度。對一個具有可壓縮的、無極隔絕的、金屬覆蓋構(gòu)造的傳感器（熱電阻溫度計或熱電偶），一個典型的傳感器密度為ρs＝2 700kg／m3（169lb／ft3），這個數(shù)值應(yīng)在傳感器設(shè)計時缺乏詳細(xì)信息時使用。另外，對一個直徑標(biāo)稱為6.35mm（0.25in）的傳感器設(shè)置Ha，s＝0.96，或者對一個直徑為9.53mm（0.375in）的傳感器設(shè)置Ha，s＝0.93。

步驟6：溫度計套管的自然頻率（基頻fn1）為

1.2.2.2 李滋法計算方法

李滋（W.Ritz）是19世紀(jì)后期在振動力學(xué)發(fā)展史上具有重要貢獻(xiàn)的一位力學(xué)家。他不但找到了求解復(fù)雜系統(tǒng)fn1的計算方法，而且還成功地解決了求解系統(tǒng)的高階頻率和主振型的途徑。李滋法是基于保守系統(tǒng)能量守恒原理的一種計算方法，這種方法求得的近似值與相應(yīng)的精確值相比偏大。

采用李滋法在計算保護(hù)套管的振動時，將保護(hù)套管視為一個多自由度的系統(tǒng)。雖然李滋法在計算fn時不但可以計算基頻，還可以計算高頻，但是對于一般的工程設(shè)計而言，保護(hù)套管fn只需計算fn1即可。同時由于計算過程中為了確定邊界條件和簡化計算過程，下面計算fn1的方法僅適用于錐形保護(hù)套管（即變截面梁，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示）的縱向振動，對于圓柱體而言，公式在總結(jié)過程中是給不了定解的。

圖2 圓錐形保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)示意

李滋法計算方法的基本公式如下：

式中：E——保護(hù)套管材料在使用溫度下的彈性模量，kPa（保護(hù)套管材料的密度和彈性模量可在文獻(xiàn)［3］中查詢）；D——錐形保護(hù)套管的外根部外徑，m；d——錐形保護(hù)套管的外端部直徑，m；d0——錐形保護(hù)套管的內(nèi)孔直徑，m。

1.2.2.3 天津中環(huán)的“有限單元法”

天津中環(huán)溫度儀表公司研發(fā)的計算fn“有限單元法”是企業(yè)自身經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐并結(jié)合先進(jìn)科學(xué)理論開發(fā)出的計算方法，該方法已申請專利，并已原始取得了“熱安裝套管fn計算程序V1.0”的軟件著作權(quán)（軟件著作權(quán)編號：軟著登字第0145085號）。筆者在此也僅簡介其原理，供讀者了解。

“有限單元法”的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。單元越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確。后處理則是采集處理分析，從而得出計算結(jié)果。

“有限單元法”求解問題的基本過程主要包括分析對象的離散化、有限元求解、計算結(jié)果的處理三部分?！坝邢迒卧ā笔悄壳皣H上應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域最先進(jìn)最準(zhǔn)確的計算方法之一。其利用“一分一合”的基本思想，進(jìn)行單元分析和整體結(jié)構(gòu)的綜合分析，可以將任何復(fù)雜的連續(xù)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的數(shù)值分析，從而得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

1.2.2.4 雷列能量法

按照雷列能量法利用圖解方式計算保護(hù)套管的fn。關(guān)于圖解法原理、具體方法和步驟等在材料力學(xué)和有關(guān)書籍中已有述及，在此不再贅述。雷列能量法是指在以一定仔細(xì)程度作圖的情況下，圖解法求得的結(jié)果。此方法對于實用的目的而言，還是足夠正確的。它的大致步驟如下：a）將所研究的零件分成若干段ΔXi，分別求出ΔXi段的質(zhì)量及其重心；b）作出力多邊形和索多邊形及它的彎矩圖并計算虛軸上的虛載荷；c）作出虛軸上的彎矩圖；d）繪制相當(dāng)彎矩圖并定出虛力；e）求得各斷面的靜力撓度yci；f）按照雷列能量公式計算其基頻fn1。雷列能量法對于一般的工程設(shè)計而言并不適用，此處的介紹也僅作為了解即可。

1.2.3 fn與fs的關(guān)系

1.2.3.1 共 振

共振發(fā)生時，強(qiáng)迫振動的振幅會隨時間線性增大，需要經(jīng)過無限長的時間，振幅才能達(dá)到無窮大。也就是說，共振需要一個相當(dāng)長的建立過程，許多設(shè)備、機(jī)器（例如渦輪發(fā)動機(jī)）在正常運行時，激勵頻率肯定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)的自然頻率。但是在系統(tǒng)開車或停車過程中，都需要越過“共振區(qū)”，這也就是溫度計保護(hù)套管的斷裂為什么出現(xiàn)在裝置開、停車期間甚至在系統(tǒng)吹掃期間的原因。對于機(jī)器而言，只要有足夠的加速功率，一般是可以順利通過共振區(qū)而不致于發(fā)生過大的振幅，必要時可以采用限幅器；但是對于保護(hù)套管而言，這種方法無法實現(xiàn)。因此，在工程設(shè)計過程中，只能根據(jù)fs和fn產(chǎn)生的機(jī)理和制約的因素，調(diào)整各自的數(shù)值，使兩者最終達(dá)到“和平共處”。

1.2.3.2 fs和fn的限制關(guān)系

根據(jù)ASME PTC 19.3TW—2010中第6.8節(jié)（頻率限制）中的最新描述得知：當(dāng)流體經(jīng)過保護(hù)套管時，保護(hù)套管會受到兩種周期性變化的力：垂直于流體流動方向的橫向力（將會產(chǎn)生激勵頻率fs）；平行于流體流動方向的流向力（將會產(chǎn)生激勵頻率2fs）。隨著流體流速增加，渦旋脫落速率也線性地增加，與此同時，應(yīng)力的大小隨流體流速的平方增加。溫度計套管根據(jù)應(yīng)力的分布及變化做實時的彈性響應(yīng)。當(dāng)fs＝fn時，將發(fā)生共振并伴隨動力學(xué)彎曲應(yīng)力的顯著增加。該共振發(fā)生時的流體流速被稱為臨界流速。每個溫度計套管的fn都對應(yīng)有兩個臨界流速的最小值：一個描述橫向力，另一個描述流向力。

如果保護(hù)套管的fn與fs或2fs有部分重疊，會產(chǎn)生一個振動幅度很大的共振，從而導(dǎo)致保護(hù)套管故障（如圖3所示）。因為fs與流體流速v成比例關(guān)系，流向共振發(fā)生的速率為橫向共振的一半。盡管存在的流向力很小，但由于典型保護(hù)套管的低阻尼特性還是會導(dǎo)致很大的振動幅度。圖4闡明了振動幅度與流體流速的變化規(guī)律。

由于保護(hù)套管的彈性響應(yīng)與渦旋脫落過程聯(lián)系如此緊密，所以即便實際的渦旋脫落過程是非線性的，仍有望根據(jù)保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)共振來捕捉與鎖定。在fs接近保護(hù)套管的fn時進(jìn)行捕捉。隨著橫柄的響應(yīng)，渦旋脫落率會趨向于穩(wěn)定在橫柄的共振頻率，并保持鎖定在一個相當(dāng)大的流速范圍內(nèi)。溫度計套管的fn可能高達(dá)幾千赫茲；由于伴隨有鎖區(qū)現(xiàn)象，使得一個溫度計套管會在一次啟動過程中遭遇上千次的疲勞周期，甚至渦旋脫落率與處于穩(wěn)定工藝條件下的溫度計套管的fn不匹配。

為了防止鎖區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生，并且將產(chǎn)生的振動幅度限制在一個安全的數(shù)值范圍內(nèi)，所安裝的溫度計套管的共振頻率應(yīng)該足夠高于共振條件。只有當(dāng)周期應(yīng)力在共振條件下小得足以接受時，才允許超過流向共振限制情況下使用溫度計套管。但是對于工程設(shè)計人員而言，即使一個溫度計套管足夠強(qiáng)韌以致能夠承受流向共振，流向共振下的頂端振動也會是極大的，從而導(dǎo)致傳感器衰退或損壞。

a）低密度流體的頻率范圍。對于Re＜105的且密度足夠低的流體，溫度計套管本身的阻尼足以抑制由渦旋脫落而產(chǎn)生的流向共振。普通溫度計套管的固有阻尼系數(shù)ζ應(yīng)保守地設(shè)置為0.000 5。

如果NS＞2.5且Re＜105，流向共振即被抑制，所安裝的溫度計套管的自然頻率應(yīng)滿足：

如果NS＞64且Re＜105，那么流向與橫向的共振都可被抑制。流體的流速可以超出式（12）的限制，但是應(yīng)該考慮是否會激發(fā)高階溫度計套管共振。

b）一般情況的頻率范圍。如果NS≤2.5或Re≥105，可按照1.2.2.1節(jié)中描述的方法確定溫度計套管的頻率范圍。此時如果溫度計套管超過了在流向共振條件下允許運算的周期應(yīng)力條件，則其安裝的fn應(yīng)滿足式（12）。

如果溫度計套管不符合在流向共振條件下允許運算的周期應(yīng)力條件，則fn應(yīng)足夠大足以限制流向共振的激發(fā)，如圖3和4所示。fn應(yīng)滿足：

c）當(dāng)流向共振沒有限制運算時的頻率范圍。在溫度計套管超出流向共振條件下運算的周期應(yīng)力條件的例子中，應(yīng)注意在穩(wěn)定狀態(tài)下流體條件與溫度計套管的共振是不匹配的。穩(wěn)態(tài)的流體流速應(yīng)滿足以下的條件之一：

或者

形象地說，這些條件相當(dāng)于介于圖3兩灰色方塊之間的流體流速來進(jìn)行運算。

1.3 保護(hù)套管的受力

保護(hù)套管的受力是指保護(hù)套管在使用過程中承受了來自于其外部的靜態(tài)壓力、穩(wěn)態(tài)流體的沖擊力和受振動荷載后，在其內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力超過了材料本身在使用溫度下的許用應(yīng)力時，保護(hù)套管的使用安全性就無法得到保障。對溫度計保護(hù)套管而言，不同的材料在不同的溫度下所能承受的最大許用應(yīng)力是不一樣的。具體數(shù)值可在文獻(xiàn)［3］中查詢。

在保護(hù)套管使用過程中，其材料在使用溫度下的許用應(yīng)力小于測量介質(zhì)對其的作用力時，保護(hù)套管將會被破壞，溫度測量的準(zhǔn)確性、安全性也就無從談起。在測量過程中，測量介質(zhì)對保護(hù)套管的作用力主要有：流體動壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和流體對保護(hù)套管的靜壓力。

1.3.1 流體動壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力

在測量過程中，當(dāng)溫度計保護(hù)套管插入到流體中時，則有動壓力作用于保護(hù)套管端部，其根部則為危險斷面，此處所承受著由于彎矩而產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力σ。σ的計算公式如下：

式中：CD——阻力系數(shù)，它將考慮到沿保護(hù)管周圍流體阻力分布是不均勻的。其中阻力系數(shù)CD取決于插入到流體中的保護(hù)套管形狀，而投影面積S（見圖2圓錐形保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)示意圖）則由下式求得：

當(dāng)然阻力系數(shù)也可在文獻(xiàn)［3］中查表獲得。

1.3.2 流體對保護(hù)套管的靜壓力

保護(hù)套管在測量時除了受到流體壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力以外，還將受到來自流體介質(zhì)的外壓以及半徑方向與切線方向的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。

這兩種應(yīng)力可由下式求得：

式中：σr——在半徑r的徑向應(yīng)力；στ——在半徑r的切向應(yīng)力；p——作用在保護(hù)管的外壓，Pa；r1——保護(hù)管的內(nèi)半徑，cm；r2——保護(hù)管的外半徑，cm；r——任意位置的半徑（r1≤r≤r2）。

一般可假設(shè)，保護(hù)套管內(nèi)的內(nèi)壓為0，則根據(jù)流體力學(xué)的理論得知，流體靜壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)該是在圓的內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生的切向應(yīng)力。最大切向應(yīng)力可由下式求得：

根據(jù)第四強(qiáng)度理論和力的疊加原理，對于保護(hù)套管的計算，即就是確保保護(hù)套管所受的總應(yīng)力σ（最大彎曲應(yīng)力與最大靜壓力之和）小于保護(hù)套管材料的最大許用應(yīng)力，否則套管將會被損壞。

2 保護(hù)套管設(shè)計中改進(jìn)的措施

根據(jù)以上的理論分析和實際的工程設(shè)計經(jīng)驗，溫度計保護(hù)套管設(shè)計過程中應(yīng)該對每一支套管進(jìn)行振動和受力的計算。如果計算結(jié)果不滿足相關(guān)要求，則必須進(jìn)行改進(jìn)。對于設(shè)計人員而言，按照下列幾條措施改進(jìn)后，最終可確保保護(hù)套管的安全，實現(xiàn)溫度儀表的準(zhǔn)確測量。

2.1 選擇合理的套管材料

因為各種材料在不同的溫度、壓力下其性能差別很大，所以材料的選擇是設(shè)計套管的第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。材料選擇的原則：能夠承受被測介質(zhì)的溫度與壓力；高溫下物理與化學(xué)性能穩(wěn)定；高溫機(jī)械強(qiáng)度好，能夠承受振動、沖擊等機(jī)械作用；耐熱沖擊性能良好，不因溫度急變而損壞；足夠的氣密性；不產(chǎn)生對測溫元件有害的氣體；導(dǎo)熱性能良好；對被測介質(zhì)無影響，不粘污；根據(jù)介質(zhì)特性，需具有不同程度的耐磨防腐。

2.2 改變套管的內(nèi)外徑

在實際工程設(shè)計中，通常用“增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑”的辦法，此辦法增加了結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以錯開共振危險區(qū)。當(dāng)然，在不影響相應(yīng)時間的情況下，增加套管外徑和壁厚，可以達(dá)到很好的效果。

2.3 改變溫度計的安裝位置

在安裝溫度計時，錯開管道彎道、閥門、節(jié)流孔板附近等位置，以防止速度擾動，引起某一振動。通?？梢詫⑻坠艿陌惭b位置選在彎頭處，因為在彎頭處流體流速比較低，但是低流速處溫度測量的熱交換不夠充分，熱響應(yīng)速度會較慢，所以這條措施的采用需要在工程中慎重選擇。

2.4 改變保護(hù)套管的外形結(jié)構(gòu)

溫度計保護(hù)套管從外形來分，主要有錐形套管、直形（即圓柱形）套管和階梯形套管，其強(qiáng)度由強(qiáng)到弱排列順序為錐形套管—直套管—階梯形套管。因此，出于安全的考慮，建議盡量選用錐形保護(hù)套管。

2.5 縮短套管長度

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(qiáng)度。此方法也是實際中常用的方法，但縮短多少要看具體情況。當(dāng)此溫度信號作為控制信號時，縮短的長度是有限的，否則影響測量精度和響應(yīng)時間，進(jìn)而影響控制質(zhì)量。但如果此信號只為顯示信號，例如就地雙金屬溫度計等，既不參與控制，可縮短的長度相對可以多一些。

2.6 增加其他輔助裝置

如果上述幾條措施實施以后還無法滿足相關(guān)要求，則可以增加其他輔助裝置的方法。具體措施為在保護(hù)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，大幅減小了套管尖端的振幅。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，如圖5所示。

圖5 保護(hù)套管保護(hù)圈

3 結(jié)束語

溫度計保護(hù)套管的計算在工程設(shè)計中越來越受到重視，但是目前設(shè)計人員以及制造廠對于計算的方法，應(yīng)該采用的標(biāo)準(zhǔn)，計算過程中應(yīng)該注意的事項等有諸多爭議。筆者在總結(jié)各位同行以及部分制造廠實際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，列出了套管計算的幾種方法和相關(guān)步驟，還提出了部分改進(jìn)措施，采用這些改進(jìn)措施能很方便地對不合理的套管尺寸進(jìn)行重新設(shè)計，從而保證了溫度計套管在使用中的安全性。但需要注意的是，保護(hù)套管的計算適用于流體流動測溫的情況，而當(dāng)測溫流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時不需要對溫度計套管進(jìn)行計算。

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