热套管问题

寻求通过将温度传感器和热电偶套管安装到流动的流体流中来测量温度的仪表工程师必须进行许多关键评估。

问题
当流体流过热套管时，两侧会形成高压和低压涡流。这些漩涡以交替模式先从一侧分离，然后从另一侧分离。这种现象通常称为涡旋脱落。

由交替涡流引起的压差会产生涡激振动 (VIV)，从而产生应力并引起横向和轴向偏转，最终会导致热套管破裂。

工程师是否可以设计热套管以避免可能导致疲劳和故障的 VIV 相关条件？

答案是肯定的，但只有使用正确的工具。

给定操作环境中给定热电偶套管的成功或失败与 VIV 频率与热电偶套管的自然谐振频率的匹配程度有关。

当这两个值相互匹配时，位移将是最大的，并且最有可能导致损坏。

这两个频率都可以使用美国机械工程师协会 (ASME) 创建的公式进行计算。

其当前版本为ASME PTC 19.3 TW-2016，可用于从四点评估组件配置和运行参数组合：

频率限制
热套管的共振频率必须足够高，以免在操作中达到，避免与 VIV 频率匹配的可能性。

动态应力限制
动态应力不得超过疲劳应力极限。

静态应力限制
稳态应力不得超过应力极限。

静水压力限制
外部压力不得超过尖端、柄部或法兰的额定值。

必须满足所有这四个限制，才能将热套管设计视为安全。

设计计算
由于 ASTM 公式中有近 20 个与工艺条件和热套管尺寸相关的变量，手工计算是不切实际的。

工程师通常在电子表格中构建公式，以促进数据保留和数字运算。

对于每种情况，工程师必须遵循相同的步骤：

●设计尺寸参数
●将其置于操作环境中（应包括一系列条件，例如正常、启动、最大值、坡度变化等）
●创建实施
●逐次迭代测试它，逐渐朝着能够通过所有四个评估点的解决方案努力。
这种耗时、反复试验的努力通常会导致热套管比所需的更厚和更大，因为公式不能表明可行的结果实际上是矫枉过正，也不能提供最佳设计解决方案。

过大的热电偶套管会减慢温度测量响应时间，并且需要更大的穿透力和障碍物进入管道。

该公式实现了它所承诺的：它权衡一组给定的参数并提供通过或失败的等级，但仅此而已。它不会为用户指明更好的解决方案。

移动到下一个功能级别需要更复杂的方法。一个处理单元中可能有数十个甚至数百个温度测量点，都需要评估。

热套管设计软件
正确的热套管设计软件应包括帮助工程师优化热套管设计的功能。

例如，考虑标签“TE-101”的一组假设维度和操作参数。

除了简单的通过或失败之外，我们还希望热套管设计软件现在告诉我们关于标签 TE-101 的信息，无论是单独还是与涉及单元、过程、工厂或企业的所有其他温度标签相关联?

以下是热套管设计软件可以提供的一些基本功能：

范围内/范围外
ASME 公式包括任何热套管必须满足的尺寸标准（壁厚和尖端厚度等）。

如果任何输入变量超出可接受的范围，则会对其进行标记并建议更合适的解决方案。

尺寸问题
如果热电偶套管与安装不兼容，例如长于管道直径或太短而无法从安装短管中伸出，则会被标记。

建模程序可以将尺寸数据转换为热套管及其安装的比例图，以指示组件如何装配在一起以及热套管尖端与管道中心的距离。

调用类似装置
如果标签要求在 4 英寸管道上安装法兰，则热套管设计软件应寻找类似的安装，包括定义的尺寸、操作参数或其他相关因素，并尽可能推荐相同的设计，以降低库存复杂性。

如果公司或设施对某种热套管外形、安装方法或其他考虑有偏好，则热套管设计软件应首先提出这些建议。

热套管目录
以前使用的热套管应将其所有尺寸存储在热套管设计软件数据库中，以便可以轻松地从列表中提取。

这种查找功能可以扩展到设施的特定零件编号，或扩展到经批准的供应商目录，以最大限度地减少潜在库存项目的数量。

仅仅报告给定标签在一个或多个条件下未通过测试是不够的。

热套管设计软件必须进入下一步并分析失败的原因，然后再进一步并提出补救措施。

在简单的情况下，这可能是一个简单的更改，例如在不牺牲所需测量位置的情况下缩短插入长度，或者可能将壁厚增加一两毫米。

在更困难的情况下，它可能会建议一种完全不同的解决方案，例如抗 VIV 双绞线热套管轮廓，或非接触式温度测量解决方案。

扭曲方形热电偶 具有独特的外形，旨在避免正常的尾流脱落问题。

它的几何形状破坏了长漩涡的形成，使它们能够在两侧形成，因此它们往往会相互平衡并相互抵消。

结果是振动小得多，在某些情况下减少了 90%。