昌暉儀表制造有限公司在溫度計套管的設計過程中，通常按照下圖中的步驟進行溫度計套管強度計算和應力分析。如果計算結果不滿足相關要求， 則需調整溫度計套管數據重新計算，直到滿足要求為止。



根據共振產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的流速、雷諾數和溫度計套管端部尺寸。改進溫度計套管時，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，避免共振的產生。

在考慮溫度計套管改進措施時，介質的密度、黏度、流速是工藝參數要求，是固定不變的常數，只能從溫度計套管的材料和尺寸上著手進行調整。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。因此，為了滿足頻率限制條件而調整溫度計套管材質選用彈性模量的方法不足取。

表1 溫度計套管材質的彈性模量的取值(×6.9MPa)



溫度計套管改進措施
1、縮短溫度計套管長度
縮短保護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能使測溫元件能反映被測介質的真實溫度為宜。

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

對于低密度低流速介質，溫度分層現象會更加明顯，而介質流過溫度計套管產生的激勵頻率較小，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，密度大流速快，流過溫度計套管產生的激勵頻率較大，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中為原則盡量短。

2、改變溫度計套管的外形結構
從表2溫度計套管尺寸與溫度計套管固有頻率的對應關系可以看出，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超出工藝設計要求的極端情況，在項目投資允許的情況下，可以統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關系



注：以上數據基于如下特定工況：溫度計套管材質為碳鋼，過程連接為法蘭連接，介質密度為8kg/m3，套管內徑為5.5mm。

3、改變溫度計套管的內外徑
從表2溫度計套管尺寸與溫度計套管固有頻率的對應關系可以看出，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速度和增加加工成本，昌暉儀表建議應根據工藝要求酌情處理。

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，溫度計套管端部應逆著介質流動的方向。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性意見，昌暉儀表建議項目實施時應謹慎采用。

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。采用此改進措施的注意事項：保護圈和支管之間的距離公差為1mm, 且支管內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力條件更不容易滿足。

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