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專注航空、新能源汽車等新興行業(yè)溫度傳感器的研發(fā)及制造
熱套管問題
尋求通過將溫度傳感器和熱電偶套管安裝到流動的流體流中來測量溫度的儀表工程師必須進行許多關(guān)鍵評估。
問題
當流體流過熱套管時，兩側(cè)會形成高壓和低壓渦流。這些漩渦以交替模式先從一側(cè)分離，然后從另一側(cè)分離。這種現(xiàn)象通常稱為渦旋脫落。
由交替渦流引起的壓差會產(chǎn)生渦激振動 (VIV)，從而產(chǎn)生應力并引起橫向和軸向偏轉(zhuǎn)，最終會導致熱套管破裂。
工程師是否可以設計熱套管以避免可能導致疲勞和故障的 VIV 相關(guān)條件？
答案是肯定的，但只有使用正確的工具。
給定操作環(huán)境中給定熱電偶套管的成功或失敗與 VIV 頻率與熱電偶套管的自然諧振頻率的匹配程度有關(guān)。
當這兩個值相互匹配時，位移將是最大的，并且最有可能導致?lián)p壞。
這兩個頻率都可以使用美國機械工程師協(xié)會 (ASME) 創(chuàng)建的公式進行計算。
其當前版本為ASME PTC 19.3 TW-2016，可用于從四點評估組件配置和運行參數(shù)組合：
頻率限制
熱套管的共振頻率必須足夠高，以免在操作中達到，避免與 VIV 頻率匹配的可能性。
動態(tài)應力限制
動態(tài)應力不得超過疲勞應力極限。
靜態(tài)應力限制
穩(wěn)態(tài)應力不得超過應力極限。
靜水壓力限制
外部壓力不得超過尖端、柄部或法蘭的額定值。
必須滿足所有這四個限制，才能將熱套管設計視為安全。
設計計算
由于 ASTM 公式中有近 20 個與工藝條件和熱套管尺寸相關(guān)的變量，手工計算是不切實際的。
工程師通常在電子表格中構(gòu)建公式，以促進數(shù)據(jù)保留和數(shù)字運算。
對于每種情況，工程師必須遵循相同的步驟：
●設計尺寸參數(shù)
●將其置于操作環(huán)境中（應包括一系列條件，例如正常、啟動、最大值、坡度變化等）
●創(chuàng)建實施
●逐次迭代測試它，逐漸朝著能夠通過所有四個評估點的解決方案努力。
這種耗時、反復試驗的努力通常會導致熱套管比所需的更厚和更大，因為公式不能表明可行的結(jié)果實際上是矯枉過正，也不能提供最佳設計解決方案。
過大的熱電偶套管會減慢溫度測量響應時間，并且需要更大的穿透力和障礙物進入管道。
該公式實現(xiàn)了它所承諾的：它權(quán)衡一組給定的參數(shù)并提供通過或失敗的等級，但僅此而已。它不會為用戶指明更好的解決方案。
移動到下一個功能級別需要更復雜的方法。一個處理單元中可能有數(shù)十個甚至數(shù)百個溫度測量點，都需要評估。
熱套管設計軟件
正確的熱套管設計軟件應包括幫助工程師優(yōu)化熱套管設計的功能。
例如，考慮標簽“TE-101”的一組假設維度和操作參數(shù)。
除了簡單的通過或失敗之外，我們還希望熱套管設計軟件現(xiàn)在告訴我們關(guān)于標簽 TE-101 的信息，無論是單獨還是與涉及單元、過程、工廠或企業(yè)的所有其他溫度標簽相關(guān)聯(lián)?
以下是熱套管設計軟件可以提供的一些基本功能：
范圍內(nèi)/范圍外
ASME 公式包括任何熱套管必須滿足的尺寸標準（壁厚和尖端厚度等）。
如果任何輸入變量超出可接受的范圍，則會對其進行標記并建議更合適的解決方案。
尺寸問題
如果熱電偶套管與安裝不兼容，例如長于管道直徑或太短而無法從安裝短管中伸出，則會被標記。
建模程序可以將尺寸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為熱套管及其安裝的比例圖，以指示組件如何裝配在一起以及熱套管尖端與管道中心的距離。
調(diào)用類似裝置
如果標簽要求在 4 英寸管道上安裝法蘭，則熱套管設計軟件應尋找類似的安裝，包括定義的尺寸、操作參數(shù)或其他相關(guān)因素，并盡可能推薦相同的設計，以降低庫存復雜性。
如果公司或設施對某種熱套管外形、安裝方法或其他考慮有偏好，則熱套管設計軟件應首先提出這些建議。
熱套管目錄
以前使用的熱套管應將其所有尺寸存儲在熱套管設計軟件數(shù)據(jù)庫中，以便可以輕松地從列表中提取。
這種查找功能可以擴展到設施的特定零件編號，或擴展到經(jīng)批準的供應商目錄，以最大限度地減少潛在庫存項目的數(shù)量。
僅僅報告給定標簽在一個或多個條件下未通過測試是不夠的。
熱套管設計軟件必須進入下一步并分析失敗的原因，然后再進一步并提出補救措施。
在簡單的情況下，這可能是一個簡單的更改，例如在不犧牲所需測量位置的情況下縮短插入長度，或者可能將壁厚增加一兩毫米。
在更困難的情況下，它可能會建議一種完全不同的解決方案，例如抗 VIV 雙絞線熱套管輪廓，或非接觸式溫度測量解決方案。
扭曲方形熱電偶 具有獨特的外形，旨在避免正常的尾流脫落問題。
它的幾何形狀破壞了長漩渦的形成，使它們能夠在兩側(cè)形成，因此它們往往會相互平衡并相互抵消。
結(jié)果是振動小得多，在某些情況下減少了 90%。
