回到基础:Thermowell保护

温度计套管保护温度传感器不与工艺流体直接接触。但是一旦插入到过程中，热电偶就会阻碍周围的流动，导致压力下降。这种现象在热电偶套管下游产生低压涡流(与涡流流量计的原理相同)。涡旋可以在热电偶的一边发生，然后在另一边发生，这被称为交替涡旋脱落。这种效应可以在旗杆随风飘扬的例子中看到。

其结果是，热电偶套管经历的压力组合:流动推动热电偶套管(阻力)和漩涡脱落(升力)。仪器工程师应该评估热电偶套管，看看它是否能承受这些应力，因为它们可能导致机械故障。该评估的行业标准是ASME PTC 19.3 TW-2010，该标准于2010年取代了ASME PTC 19.3 1974。制定新标准的动机是在非蒸汽应用中出现了一些灾难性的热套管故障。这些温度计套管已通过1974年制定的标准。2010年的标准包括对热电韦尔行为知识的重大进步，从1974年的四页增加到2010年的40多页。最近的标准通过新的和改进的计算来评估热电偶适用性，包括:

• 各种温度计套管设计，包括阶梯式温度计套管
• 热电偶材料性能
• 详细的流程信息
• 审查频率比的可接受限度
• 更准确地评估影响温度计套管的应力。

作用在热电偶上的力

如前所述，流经热电偶井的气流在下游产生交替涡，称为脱落涡。这些脱落的涡流导致热电偶振动。如果涡流脱落速率fs与热电偶的固有频率fnc匹配，则会发生共振，热电偶上的动弯曲应力大大增加。

如图2所示，流体在Y平面(与流动方向平行)上产生的力称为阻力，在X平面(与流动方向横向)上产生的力称为升力。必须计算阻力和升力的涡降率。直线力(平行于流体)大约是横向力的2倍。

较低的速度

如果流体以非常低的速度流动，施加在热电偶上的力很小，这大大降低了热电偶失效的风险。新标准规定，如果满足以下所有条件，则无需计算固有频率、频率限值、稳态应力和动应力:

• 过程速度V小于0.64 m/s [2.1 ft/s]
• 根径减去内径(A - d)≥9.5 mm [0.376 in.]
• 无支撑长度，L≤0.61 m [24 in.]
• 根直径，A≥12.7 mm[0.5英寸]
• 尖端直径，B≥12.7 mm[0.5英寸]
• 最大允许工作应力，S≥69 MPa [10 ksi]
• 疲劳极限，Sf≥21 MPa [3 ksi]
• 热电偶材料不受腐蚀或脆化

虽然在满足这些条件的情况下，热电偶失效的风险很小，但在低速时仍可能激发在线共振，这可能导致传感器失效。

量化的标准

在每组工艺条件下，对热电偶套管进行四次评估，以确定其适用性。

频率比——由于工艺条件而施加在热电偶上的力——应不允许热电偶在临界共振处振动。有关此标准的详细信息，请参阅下面的频率比限制部分。

• 稳定应力-由外部压力引起的径向、轴向和切向应力与设计速度下阻力引起的应力相结合。该信息随后用于Von Mises准则，该准则必须小于热电偶材料最大允许工作应力的1.5倍。
• 动态应力-动态预测应力(包括阻力和升力)不得超过热电套管的疲劳应力极限
• 压力应力-由于过程压力而施加在热电偶套管上的应力不得超过热电偶套管的额定压力。这种评估在刀柄和刀尖处进行;两者的额定压力都必须高于工艺压力。

频率比极限

频率比(fs/fnc)是旋涡脱落率与安装固有频率之比。在旧标准中，频率比限制被设置为0.8。这是为了避免横向(升力)力引起的临界共振。图3显示了0.8极限以上的横向共振带。在包含直线(阻力)力之后，第二个共振带(黑色显示)也需要避免。

频率限制比设置为0.4或0.8。使用极限的标准在ASME PTC 19.3 TW-2010中定义，理论在图4中进行了简化。这是在计算中使用的理论，不应该在没有进行充分评估的情况下进行估计。

改进设计

如果热电偶未能通过评估，则可以通过以下方式更改设计:

• 缩短热电偶套管以减少未支撑的长度
• 增加热电偶套管(A和B)的厚度

可以增加一个速度环来减少不受支撑的长度，尽管通常不建议这样做。流速环用于为热电偶套管提供刚性支撑，只有在隔墙和流速环之间存在过盈配合时才能发挥作用。在安装时，必须注意确保接箍与外壁接触，并且不受腐蚀的影响。如果速度接箍是唯一可行的解决方案，那么作业者有责任确保隔墙和速度接箍之间的过盈配合。

- Jennifer Wilson就读于诺丁汉大学，获得化学工程学士学位。在完成ABB研究生计划后，她一直在ABB工作了5年，并参与了温度和压差(DP)产品的工程和设计。

www.abb.com/instrumentation

www.asme.org

//www.globalelove.com/sensors

//www.globalelove.com/instrumentation

参考

图2和图3经美国机械工程师学会许可，转载自ASME PTC 3tw -2010。版权所有。未经ASME书面许可，不得进一步复制。

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