工业自动化领域目前大量使用热电偶和热电阻, 无论是传统产品还是各种各样的耐磨专利产品, 其保护套管外形全部是圆形或是根部较粗前部较细略带锥度的圆锥形。这种外形结构的保护套管加工方法简单, 相应的制造成本低廉, 但是在工业现场安装使用于管道或设备内时, 其阻力大、强度低、不耐冲刷和磨损, 在流速较高的场合套管根部还容易断裂, 所以使用寿命短。这不但给工矿企业增加购置成本和停车更换的成本, 而且增加了维修工的劳动量。为此, 许多专业人士一直在对热电偶/热电阻保护套管的高强度和耐磨性进行研究, 但是几乎全部局限于对材质的选择和对特种材料配方的研究, 而选用的材料材质越特殊, 其制造成本就越高, 尽管制造出来的热电偶/热电阻保护套管有一定的耐磨效果, 但效果还不是很理想。保护套管在安装应用时, 迎流侧、前端部、保护套管与管壁的交接处和套管根部磨损最为严重。

一种使用效果较好的特殊材料制成的套管专利产品在使用一段时间后的磨损如图1所示。

保护套管损坏主要是因为套管在使用中因较高温度、较强腐蚀和介质冲刷造成的损坏, 主要表现在断裂和磨损泄漏。造成套管损坏的外力主要是介质对套管的摩擦阻力和压差阻力, 根据牛顿第三运动定律, 绕流物体对流体的阻力和流体作用于物体的力大小相等方向相反, 所以研究造成套管损坏的摩擦阻力和压差阻力, 可以等效为研究绕流物体对于流体的阻力。

摩擦阻力来源于物面粘性切应力的合力, 压差阻力是物面上压力的合力在流动方向上的分量。一般说来, 当流体流动处于层流状态时, 流动尚未发生分离, 总阻力主要表现为摩擦阻力, 这是造成套管损坏的主要力;当流动开始发生分离, 但分离较小, 且流动仍处于层流状态时, 这时摩擦阻力和压差阻力具有同等重要性;随着流动分离的加剧, 压差阻力越来越占主导地位。

根据流体力学, 各种绕流现象与相应的阻力系数CD见表1。各种物型的阻力系数中, 非流线型物体的阻力系数试验值的结果是:圆柱和半管二元物型的阻力系数是1.20, 方形柱的阻力系数是2.00, 椭柱的阻力系数是0.20~0.46。据此, 传统圆柱形套管的阻力系数较高, 而接近于流线型的椭柱阻力系数较低。根据表1中的试验数据还可以看出, 二元物型的阻力系数主要决定于迎流侧的形状和尺寸, 如圆柱、半管、方柱及平板等迎流侧几何形体一样, 阻力系数基本相同。那么, 是否有比椭柱阻力系数更小的呢?

椭柱流型变形后的水滴形流线型体在风洞实验中所做的阻力测量结果如图2所示, t表示水滴形流线型体的厚度, l为弦长。分别考察摩擦阻力、压差阻力和总阻力的变化规律, 当t/l减小时, 压差阻力虽然减小, 但摩擦阻力上升更快;当t/l增大时, 摩擦阻力减小, 但压差阻力急剧上升。两者均使总阻力增大。将水滴形流线型体与相同厚度的圆柱体相比, 前者的最小阻力系数只有后者最小阻力系数的1/5;当流线型体的厚度和弦长之比为0.25时, 流线型体在流体中的摩擦阻力与压差阻力的合力最小。

根据上述理论, 设计了水滴形流线型保护套管, 套管截面如图3所示。这是理想的流线型设计, 套管截面外形是前圆后尖, 表面光滑, 略像水滴形状的流线型, 流线型套管的厚度和弦长的最佳比值为0.25。参考图2中的曲线, 可以根据不同的目的设计具体的t/l值, 如需分别降低摩擦阻力、压差阻力和总阻力时, t/l可以取大于0.25、小于0.25和等于0.25。

但是, 按照图3设计的套管, 制造比较麻烦, 因为弦长较长时套管背流侧也会较长, 制造时浪费材料, 同时由于单位长度的重量较大, 也给安装使用带来诸多不便。

考虑到热电偶/热电阻的使用目的, 耐磨是最主要的性能之一, 对流体的阻力可以忽略不计, 所以可以对理想的水滴形流线型进行优化。根据机翼在风洞中的实验, 当风速为210min/h时, 机翼圆头朝前时机翼的阻力系数为1;机翼尖头朝前时, 阻力则为前者的两倍。这是因为机翼圆头朝前时产生的涡流区远小于机翼尖头朝前时的情况。考虑保留理想的水滴形流线型摩擦阻力最小的特点, 以牺牲一部分压差阻力为代价, 设计套管插入设备或管道内部的迎流侧是流线型水滴形或流线型弹头形, 而背流侧可以是与迎流侧呈对称的几何形状, 也可以是其他光滑线型或者平头形状, 如圆形、椭圆形、齐平形及抛物线形等, 如图4所示。

这样在牺牲一部分压差阻力对套管的影响后, 仍然可以保证摩擦阻力最小, 同时沿流向方向套管的机械强度比传统圆形套管要高得多。并且迎流侧采用流线型设计, 还能使套管在使用中的绕流阻力系数比其他套管形状 (如常规的圆形) 要小, 从而达到阻力最小、摩擦力也最小、使用寿命相应延长的效果。

目前, 传统圆柱形套管为了各种需要, 有轴向等径形或根部较粗前端部较细略带锥度的锥形等形状, 流线型套管设计也可以做到这一点。

按照上述形状设计的保护套管, 在背流侧与迎流侧采用对称的几何形状时, 可以在套管的过程连接螺纹或法兰处做一方向指示标记, 在新安装套管时按照方向指示确定套管安装方向。在一支套管使用一段时间后, 根据经验积累估计迎流侧磨损较严重时, 可以按照方向指示, 对调背流侧与迎流侧的相对位置, 这样可以把一支耐磨套管当成两支使用, 使一只套管的实际寿命再延长一倍。方向指示标记可以是附着于过程连接件上的突出物、凹槽、刻划线及箭头等, 方向指示标记设计如图5所示。

笔者介绍了流线型低阻力高强度耐磨热电偶/热电阻套管的设计方法, 采用受力最小的流线型设计, 以降低套管磨损。而且, 相同材质的圆形设计套管的阻力系数是流线型套管阻力系数的2.61倍, 再加上对称结构设计, 一只流线型套管的使用寿命是同材质圆形套管的两倍以上。