流體溫度是工業(yè)領域重要的監(jiān)視和控制參數(shù)，但在設計過程中，極易忽視溫度計套管計算，國內(nèi)曾多次報道大型鍋爐爐體溫度計套管、主蒸汽溫度計套管發(fā)生斷裂、折斷事故，引起緊急停爐的事件。另外，在《石油化工自動化儀表選型設計規(guī)范 SH/T3005-2016》中，明確規(guī)定，“在工藝流體溫度、壓力、流速較高或管徑較大場合，對溫度計套管應根據(jù)ASME PTC 19.3TW標準做振動頻率及應力符合性計算。”目前WAKE、雅思科、艾默生等國外知名品牌的溫度儀表廠家能提供溫度計套管的計算書，但在詳細設計時，通常因為儀表尚未招標，這些廠家都不提供免費溫度計套管計算服務，需要支付相應費用。儀表設計人員掌握溫度計套管振動頻率及應力符合性計算方法，對校驗溫度計套管設計尺寸、復核設計結果是很有必要的。
1、 溫度計套管介紹
溫度計套管一般有棒材和管材兩種，棒材由金屬整體鉆孔而成，一般壁厚為6mm/9.25mm......；管材為普通的金屬管，一般壁厚為1mm/2mm/2.5mm......。
溫度計套管選擇通常遵從以下原則：
①管材套管一般用于罐內(nèi)壓力較小的情況；
②罐內(nèi)壓力較大，安全起見，推薦棒材套管；
③管道中推薦使用棒材套管并做強度計算。
溫度計套管主要有三種類型，分別是錐形套管、直形套管和階梯型套管，按強度大小，錐形套管>直形套管>階梯型套管。從安全角度來說，首選為錐形保護套管，典型的錐形保護套管結構示意詳圖1。
圖1 錐形套管結構示意圖(L為無支撐段長度；d為套管鉆孔直徑；t為尖端最小壁厚；B為尖端直徑)
根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016振動頻率及應力符合性計算，判別溫度計套管合格與否的關鍵參數(shù)有：固有頻率；渦流脫落頻率；頻比；比對系數(shù)；允許外部壓力；尖端允許壓力。在工藝工況穩(wěn)定的前提下，流體引起的振動、套管承受壓力大小是對溫度計套管影響最大的兩大因素。下面介紹溫度計套管固有頻率、渦流脫落頻率和承受壓力的計算方法，避免共振的產(chǎn)生和耐壓性能不足，防止損壞溫度計套管和套管內(nèi)的溫度傳感器。
2、溫度計套管固有頻率和渦流脫落頻率計算
根據(jù)ASME PTC 19.3 TW-2016，斯特羅哈爾數(shù)Ns取值有下面三種情況，
溫度計套管的雷諾數(shù)(Re)為：
式中：μ為動態(tài)粘度；ρ為介質(zhì)密度；B為尖端直徑；V為介質(zhì)流速。
不同材質(zhì)的雷諾數(shù)是不同的，當Re>5×105，斯德哈爾數(shù)Ns≈0.22。
步驟1：近似固有頻率：
式中：Da=(A+B)/2；ρm為溫度計套管所用材料的質(zhì)量密度；d為套管鉆孔直徑。
溫度計套管固有頻率(fa)為：
式中：E為操作溫度下的彈性模量；I為第二轉動慣量；L為溫度計套管無支撐段長度；m是溫度計套管單位長度的質(zhì)量。
步驟2：計算校正參數(shù)Hf
用近似細長梁理論糾正偏差：
式中：A為溫度計套管根部直徑；B為尖端直徑；L為溫度計套管無支撐段長度；d為溫度計套管的內(nèi)徑。
應當注意的是，當(L/A)>10和A=B時，Hf≈1；當(L/A)≤10或A≠B時，Hf近似為0.6～1.5。
步驟3：計算工藝介質(zhì)的附加質(zhì)量修正參數(shù)Ha,f：
步驟4：計算傳感器質(zhì)量修正參數(shù)Ha,s：
式中：ρm為傳感器平均密度，通常可認為ρm=2700kg/m3。
步驟5：溫度計套管的最低固有頻率：
步驟6：校正基礎兼容性：
最終，溫度計套管的固有頻率為：
3、溫度套管的渦流脫落頻率計算
步驟1：在正常流量條件下，當斯德哈爾數(shù)Ns=0.22，渦流脫落頻率為：
步驟2：溫度計套管的固有頻率和頻率極限計算值的比較。
假若：
， 該項指標符合要求，不會產(chǎn)生共振。
4、溫度計套管承壓性能計算
溫度計套管頂端承受外部壓力的計算公式：
式中：S為溫度計套管的最大允許工作壓力(溫度計套管的材質(zhì)不同，最大允許工作壓力也是不同的，在ASME B31.1動力管道表A-1中可查閱獲得)；B為尖端直徑；d為溫度計套管的內(nèi)徑。
溫度計套管尖端承受外部壓力的計算公式：
式中：S為溫度計套管的最大允許工作壓力；t為溫度計套管尖端的最小壁厚；d為溫度計套管的內(nèi)徑。
5、溫度計套管強度計算不通過的改進建議
如果溫度計套管振動頻率及應力符合性計算結果不滿足相關要求，則必須進行改進。下面介紹了幾種改進溫度計套管設計的措施，使溫度計套管達到性能測試計算標準，確保使用安全，實現(xiàn)溫度儀表的準確、可靠測量。
①減少無支撐段長度L，由式(4)可知，L減少時，對應平方級增大，所以當溫度計套管振動計算不通過時，最優(yōu)選擇是減少L，但是為了保證溫度傳感器測量的準確性和有效性，溫度計套管的插入深度L的最小值不能小于主工藝管線直徑的1/3。
②增大溫度計套管平均直徑。但是過量增大溫度計套管平均直徑會降低熱傳導效率，影響溫度傳感器的靈敏度和測量精度。
③選用其他材質(zhì)的溫度計套管應保證選用材料的溫度、壓力曲線滿足工程的工況條件。安裝于輸送腐蝕性介質(zhì)管道上的溫度計套管還應具有耐腐蝕能力。
④改變溫度計套管的安裝位置。將溫度計套管安裝在管道流速低、物料沖刷強度小的位置，可降低渦流脫落頻率。當前面三個方法改進后仍無法通過強度計算時，可以考慮采用該方案。
作者：孫林港
