異型耐磨熱電偶/熱電阻套管的設(shè)計

胡平杰 劉護林 李 運

(大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070)

工業(yè)自動化領(lǐng)域目前大量使用熱電偶和熱電阻，無論是傳統(tǒng)產(chǎn)品還是各種各樣的耐磨專利產(chǎn)品，其保護套管外形全部是圓形或是根部較粗前部較細略帶錐度的圓錐形。這種外形結(jié)構(gòu)的保護套管加工方法簡單，相應(yīng)的制造成本低廉，但是在工業(yè)現(xiàn)場安裝使用于管道或設(shè)備內(nèi)時，其阻力大、強度低、不耐沖刷和磨損，在流速較高的場合套管根部還容易斷裂，所以使用壽命短。這不但給工礦企業(yè)增加購置成本和停車更換的成本，而且增加了維修工的勞動量。為此，許多專業(yè)人士一直在對熱電偶/熱電阻保護套管的高強度和耐磨性進行研究，但是幾乎全部局限于對材質(zhì)的選擇和對特種材料配方的研究，而選用的材料材質(zhì)越特殊，其制造成本就越高，盡管制造出來的熱電偶/熱電阻保護套管有一定的耐磨效果，但效果還不是很理想。保護套管在安裝應(yīng)用時，迎流側(cè)、前端部、保護套管與管壁的交接處和套管根部磨損最為嚴重。

1 保護套管在流體中的受力分析①

一種使用效果較好的特殊材料制成的套管專利產(chǎn)品在使用一段時間后的磨損如圖1所示。

保護套管損壞主要是因為套管在使用中因較高溫度、較強腐蝕和介質(zhì)沖刷造成的損壞，主要表現(xiàn)在斷裂和磨損泄漏。造成套管損壞的外力主要是介質(zhì)對套管的摩擦阻力和壓差阻力，根據(jù)牛頓第三運動定律，繞流物體對流體的阻力和流體作用于物體的力大小相等方向相反，所以研究造成套管損壞的摩擦阻力和壓差阻力，可以等效為研究繞流物體對于流體的阻力。

圖1 磨損并變形的套管外形

摩擦阻力來源于物面粘性切應(yīng)力的合力，壓差阻力是物面上壓力的合力在流動方向上的分量。一般說來，當流體流動處于層流狀態(tài)時，流動尚未發(fā)生分離，總阻力主要表現(xiàn)為摩擦阻力，這是造成套管損壞的主要力；當流動開始發(fā)生分離，但分離較小，且流動仍處于層流狀態(tài)時，這時摩擦阻力和壓差阻力具有同等重要性；隨著流動分離的加劇，壓差阻力越來越占主導(dǎo)地位。

2 流線型保護套管的設(shè)計理論

根據(jù)流體力學(xué)，各種繞流現(xiàn)象與相應(yīng)的阻力系數(shù)CD見表1。各種物型的阻力系數(shù)中，非流線型物體的阻力系數(shù)試驗值的結(jié)果是：圓柱和半管二元物型的阻力系數(shù)是1.20，方形柱的阻力系數(shù)是2.00，橢柱的阻力系數(shù)是0.20～0.46。據(jù)此，傳統(tǒng)圓柱形套管的阻力系數(shù)較高，而接近于流線型的橢柱阻力系數(shù)較低。根據(jù)表1中的試驗數(shù)據(jù)還可以看出，二元物型的阻力系數(shù)主要決定于迎流側(cè)的形狀和尺寸，如圓柱、半管、方柱及平板等迎流側(cè)幾何形體一樣，阻力系數(shù)基本相同。那么，是否有比橢柱阻力系數(shù)更小的呢？

表1 不同物型的阻力系數(shù)

橢柱流型變形后的水滴形流線型體在風(fēng)洞實驗中所做的阻力測量結(jié)果如圖2所示，t表示水滴形流線型體的厚度，l為弦長。分別考察摩擦阻力、壓差阻力和總阻力的變化規(guī)律，當t/l減小時，壓差阻力雖然減小，但摩擦阻力上升更快；當t/l增大時，摩擦阻力減小，但壓差阻力急劇上升。兩者均使總阻力增大。將水滴形流線型體與相同厚度的圓柱體相比，前者的最小阻力系數(shù)只有后者最小阻力系數(shù)的1/5；當流線型體的厚度和弦長之比為0.25時，流線型體在流體中的摩擦阻力與壓差阻力的合力最小。

圖2 水滴形流線型體在風(fēng)洞實驗中 所做的阻力測量結(jié)果

3 流線型保護套管的設(shè)計

根據(jù)上述理論，設(shè)計了水滴形流線型保護套管，套管截面如圖3所示。這是理想的流線型設(shè)計，套管截面外形是前圓后尖，表面光滑，略像水滴形狀的流線型，流線型套管的厚度和弦長的最佳比值為0.25。參考圖2中的曲線，可以根據(jù)不同的目的設(shè)計具體的t/l值，如需分別降低摩擦阻力、壓差阻力和總阻力時，t/l可以取大于0.25、小于0.25和等于0.25。

圖3 水滴形流線型保護套管截面

但是，按照圖3設(shè)計的套管，制造比較麻煩，因為弦長較長時套管背流側(cè)也會較長，制造時浪費材料，同時由于單位長度的重量較大，也給安裝使用帶來諸多不便。

考慮到熱電偶/熱電阻的使用目的，耐磨是最主要的性能之一，對流體的阻力可以忽略不計，所以可以對理想的水滴形流線型進行優(yōu)化。根據(jù)機翼在風(fēng)洞中的實驗，當風(fēng)速為210min/h時，機翼圓頭朝前時機翼的阻力系數(shù)為1；機翼尖頭朝前時，阻力則為前者的兩倍。這是因為機翼圓頭朝前時產(chǎn)生的渦流區(qū)遠小于機翼尖頭朝前時的情況。考慮保留理想的水滴形流線型摩擦阻力最小的特點，以犧牲一部分壓差阻力為代價，設(shè)計套管插入設(shè)備或管道內(nèi)部的迎流側(cè)是流線型水滴形或流線型彈頭形，而背流側(cè)可以是與迎流側(cè)呈對稱的幾何形狀，也可以是其他光滑線型或者平頭形狀，如圓形、橢圓形、齊平形及拋物線形等，如圖4所示。

這樣在犧牲一部分壓差阻力對套管的影響后，仍然可以保證摩擦阻力最小，同時沿流向方向套管的機械強度比傳統(tǒng)圓形套管要高得多。并且迎流側(cè)采用流線型設(shè)計，還能使套管在使用中的繞流阻力系數(shù)比其他套管形狀(如常規(guī)的圓形)要小，從而達到阻力最小、摩擦力也最小、使用壽命相應(yīng)延長的效果。

圖4 流線型對稱形套管截面

目前，傳統(tǒng)圓柱形套管為了各種需要，有軸向等徑形或根部較粗前端部較細略帶錐度的錐形等形狀，流線型套管設(shè)計也可以做到這一點。

4 流線型保護套管的安裝使用

按照上述形狀設(shè)計的保護套管，在背流側(cè)與迎流側(cè)采用對稱的幾何形狀時，可以在套管的過程連接螺紋或法蘭處做一方向指示標記，在新安裝套管時按照方向指示確定套管安裝方向。在一支套管使用一段時間后，根據(jù)經(jīng)驗積累估計迎流側(cè)磨損較嚴重時，可以按照方向指示，對調(diào)背流側(cè)與迎流側(cè)的相對位置，這樣可以把一支耐磨套管當成兩支使用，使一只套管的實際壽命再延長一倍。方向指示標記可以是附著于過程連接件上的突出物、凹槽、刻劃線及箭頭等，方向指示標記設(shè)計如圖5所示。

圖5 帶方向指示器的保護套管

5 結(jié)束語

筆者介紹了流線型低阻力高強度耐磨熱電偶/熱電阻套管的設(shè)計方法，采用受力最小的流線型設(shè)計，以降低套管磨損。而且，相同材質(zhì)的圓形設(shè)計套管的阻力系數(shù)是流線型套管阻力系數(shù)的2.61倍，再加上對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，一只流線型套管的使用壽命是同材質(zhì)圓形套管的兩倍以上。