温度套管强度分析与改进

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摘要：本文主要论述温度套管与设备管道连接的强度解决方案，旨在提高温度仪表安装强度，确保工业生产的顺利运行。作者根据温度测量需求介绍了温度计套管动力强度的计算方法，对一些关键问题提出了自己的体会。

关键词：温度套管 强度 加强锚

1、引言

温度测量是工业生产必不可少的组成部分，为了对生产中的机电设备和反应过程进行监测和控制，同时节省人力，确保设备和工艺安全、可靠运行及质量控制，企业需配置温度计和温度传感器。流体系统的在线温度探头通常规定配备套管以保护重要的温度元件，一般选择锥形套管且焊接部分要能防止所测工艺介质的腐蚀。温度仪表的设计应具有高可靠性和长期稳定性。然而在某些情况下，如流体流速过快、探头插入过深、设备管道共振等，可能会导致套管弯曲甚至折断，影响生产质量和进度。因此要对温度套管进行静力和动力强度计算，尤其要避免共振破坏温度套管及温度探头。

2、温度套管强度计算简介

2.1 计算方法

根据国际ASME PTC 19.3中对温度套管的设计和安装规定，需要分别计算温度套管在流体静压和动压作用下的强度。温度套管激发频率（fw）计算是工作温度下的静、动压强度数学验证的手段。计算公式如下：

fw=2.64*（V/ΦF3）

公式中V指流体的流速，ΦF3指套管尖端的直径。2.64为斯特罗哈尔数。

温度套管所属系统的固有共振频率（fn）的计算公式如下：

fn=（kf/ U12） * √（Emod/ρ）

公式中U1套管插入长度，ρ指套管比重，Emod指弹性模数，kf为从ASME PTC 19.3经验表中查得的数据。

根据以上两个公式，计算套管强度需要以下工艺数据：流体的流速，介质的密度，工作温度，工作压力，管口内径，管口高度，管道或容器的内径和壁厚。

2.2 计算结果的判定

温度套管强度计算最重要的结果是频率比率—fw/fn，fw代表流体引起的振动频率，fn代表各振动系统的固有共振频率。fw/fn不大于选定值表示强度符合要求，一般设定20%的安全量，即fw/fn

温度套管的工作温度、压力和插入长度都不允许超过最高值。

最高温度值由钢厂或现有规范与标准推荐。不同材质的温度套管可耐温度极限不同。

最高压力值和允许的套管插入长度通过计算获得。

流体的状态（液态或气态）、粘度及套管铠装层对强度计算没有影响。

3、强度计算结果不符合要求时的解决办法

（1）当fw/fn>0.8时代表强度不符合要求时，最有效的办法是缩短温度套管的插入长度U1。但要注意插入长度U1不能比管口短，否则很可能测不到流体或测不准。一般要求温度套管顶端浸入流体的2/3处以上，至少75mm。但当介质为气态或汽态时可缩短插入长度U1，安装于管道内的甚至可以比管口短。介质为液态且满管时也可缩短插入长度U1，但不能比管口短。当设备内温度分布不均匀或有团状气雾等情况时，也不能缩短插入长度U。有时也可以考虑缩短管口长度，前提是预留足够的安装和维修空间。一般可以缩的管口长度很有限。

（2）当缩短温度套管的插入长度仍然不行时，通常做法是在温度套管上配备锚以加强套管的强度（见图示）。锚一般通过三点焊接在套管上。这样流体压力可以通过锚与管口的气隙作用于温度套管与管道设备连接的法兰或螺纹面上，气隙

（3）当遇到无法使用锚时的情况，如小口径管道或套管要求使用钽材质以防强酸腐蚀时，使用钽材做锚成本太高，还可以使用温度套管逐步深入设计法，即从根部开始分段缩小套管外径，扩大套管根部直径及厚度以加强抵抗外力影响。只是套管制作要求麻烦一点。注意温度套管的外径要小于管口内径，温度套管的内径要大于传感器外径。

4、温度套管长度选择注意事项

4.1 什么情况下需要计算强度

并非任何情况都需要计算，以前项目很少温度套管强度。可能有的出现问题也就地解决了。这和项目的工艺要求和认知度有关。一般不是很重要的工业生产肯定不用计算温度套管强度，有的甚至连套管都不需要。但安全程度和质量要求比较高的生产企业如石油化工、医药、核工业就很可能需要计算温度套管强度。尤其是温度控制要求高的反应配制管道与容器，如反应釜、溶解罐等。

4.2 强度计算不符合要求时解决方案的选择

当温度套管强度不符合要求时，优先选择缩短插入长度。既简单方便又降低成本。如果仍不符合强度要求或工艺不允许缩短插入长度，再考虑缩短管口长度。

其次选择给温度套管加上锚，也还算方便，成本也不高。只是要注意加上锚后的外径要小于管口内径，否则无法安装。

再其次选择温度套管逐步深入设计，制作不方便，成本也相应提高。

总之，选择温度套管长度是一个经过计算和验证的过程。需要认真对待，不要忽视或轻视，以免造成不必要的财产损失和人身伤害甚至危及公共安全。