测温套管壁厚和伸入长度对测温精度的影响.doc

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（国家职业资格二级）

论文题目： 测温套管壁厚和伸入

长度对测温精度的影响

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工作单位：

测温套管壁厚和伸入长度对测温精度的影响
闫 辉
约克（无锡）空调冷冻有限公司

摘要 : 通过试验验证测温套管的厚度和伸入长度对温度精度的影响。结果表明：厚度在0.6mm到1.0mm变化是，对测温精度的影响不明显；插入深度在1/2接管直径到1/3接管直径之间变化时，对测温精度也无影响。从而可以采用提高测温套管的厚度和/或缩短伸入长度的方法来提高其可靠性。
关键词：测温套管 壁厚

测温套管是中央空调配套的管壳式换热器中的广泛采用的测温辅助原件，材料均为紫铜管，为降低管壁热阻有利于感温，同时考虑降低成本，壁厚一般较薄。小型中央空调的测温套管规格通常为φ9.23×0.6 mm。但这与测温套管在外压条件下长期接受水流冲击，不允许发生泄漏、变形的要求是相矛盾的，因此如何提高测温套管的可靠性而又不影响温度测量精度具有重要的现实意义。

1 问题的提出
某小型中央空调调在试和运行过程中，配套的管壳式换热器测温套管发生多起折断漏水现象。拆下测温套管，发现它沿换热器的水接管内壁折弯断裂，折弯角几乎为90°，折弯方向与水流垂直，如图1所示。
测温套管规格为φ9.23×0.6 mm，长度50mm, 伸入水接管26mm，材料为紫铜，轻拉态。水接管规格为φ60×4 mm，材料为20＃钢管，测温套管与水接管采用钎焊的方式连接。
在机组在调试或运行时，测温套管伸入水接管部分承受水侧外压及水流冲击力。

I) 机组泄露 II) 失效的测温套管
图1 测温套管泄露失效

2 失效分析
从拆卸的失效测温套管来看，它显然是在水流冲击作用下导致的折弯失效，因此分析主要集中在测温套管的设计，制造和安装上面。
以失效机型为例，水接管入口水流速度为1.47 m/s，采用湍流稳态模型计算，测温套管表面最大水流压力为1.6 KPa，如图2所示。假设测温套管表面均布水流压力为1.6 KPa，分析显示此时测温套管最大应力为240 KPa，此应力值远小于测温套管退火态许用应力值41×103 KPa。增加水接管内水流速度至23 m/s，此时测温套管表面水流压力达到270 KPa，承受的最大应力为41×103 KPa，达到退火状态的许用应力值，如图3所示。而设计最大水流速度为7.35 m/s，因此设计满足应用需求。

图2 测温套管水流压力分布图

I) 流速为1.47 m/s 时测温套管应力 II) 流速为23 m/s 时测温套管应力
图3 测温套管应力分布图

失效测温套管从化学成分、结构尺寸、供货状态三个方面确认其制造质量状况，结果显示三个方面均达到设计要求。
因此测温套管的安装是导致失效的主要原因，实际安装试验也验证了这个说法。铜测温套管和水接管是通过手工钎焊连接的，钎焊工人根据经验加热两个零件到钎焊温度，然后使用钎剂进行钎焊。试验显示，将测温套管火焰加热30秒、60秒和90秒，加热时间越长，测温套管冷却后越软。但如果把测温套管加厚到1mm，或者把内伸长度缩短到水接管直径的1/4长度，其内伸部分刚度大大的提高。

3 方案制定
严格控制钎焊加热时间是必须要做的工作，由于是手工钎焊，和工人的技能等有关，如何设计更可靠的测温套管，降低对工人技能的要求对产品的质量将有很大的帮助。加厚测温套管和缩短内伸长度均能大大提高其刚度，从而达到抗水流冲击能力，但这两种变化对测温精度的影响需要评估。
本方案的设想是把测温套管厚度增加至1mm，伸入长度减少到20mm，并验证对设计精度的影响。

4 方案验证
测温套管由原来的0.6mm加厚到1.0mm后，验证对于机组温度传感器温度采集反应速度的影响。针对于此验证，策划了静态试验一、动态试验二与试验三，同时测试测温套管的插入深度是否也影响到温度传感器的采集反应速度和温度偏差。
试验一：不同壁厚的测温套管插入深度相同时对温度传感器采集温度的影响
试验工装为恒温油槽，取长度均为50mm，规格为φ9.53x1.0 mm和φ9.23x0.6 mm的测温套管各三根，插入油槽的深度均为26mm。
将恒温油槽温度分别调制3℃及52℃，然后插入测温套管及温度传感器，采集记录温度传感器反应时间。测试前分别校对温度传感器与油槽温度传感器的差异，并标记和记录差异值，如图4所示。测试输出结果分别如图5所示，其中规格为φ9.53x1.0mm的三根测温套管编号分别为1＃、2＃、3＃，规格为φ9.23x0.6 mm的三根测温套管编号分别为4＃、5＃、6＃。温度传感器40秒采集一次温度，从图5 II可看出壁厚变化对温度传感器反映时间基本无影响。

图4 恒温油槽试验

I) 25℃阻值差异图 II) 3℃阻值变化对比图
图5 阻值差异图

试验二：测试在额定水流量下测温套管不同壁厚、不同插入深度对机组温度传感器温度采集的影响
参照失效机组中测温套管的安装方式及位置设计测试工装。其中主管道规格为φ60×4 mm 的钢管，和失效机型水接管规格一致。在测试工装的主管道中安装4个规格为φ9.23×0.6 mm，长50 mm的测温套管，插入深度分别为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm，对应编号分别为1＃，2＃，3＃和4＃。同时安装4个规格为φ9.23×1.0 mm，长50 mm的测温套管，插入深度分别为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm，对应编号分别为5#，6＃，7＃和8＃。
测试时，主管水流量分别取6.71 m³/h和11.18 m³/h，对应失效机组某机型60%和100％额定水流量，测试工装也模拟失效机组某机型水接管的放置方向，垂直放置，测试水温从3℃上升到50℃然后再降到3℃，采集记录测温套管中温度传感器反应时间。
测试前以25℃校验8个温度传感器与台位温度传感器的差异，并标记和记录差异值。测试输出结果如图6和图7。

图6 水流量6.71 m³/h值

图7 水流量11.18 m³/h值

综合试验一、二得出：失效机组测温套管壁厚加厚到1.0mm, 机组温度传感器对温度采集的反应时间差异在允许范围之内。通过试验二得出：测温套管的插入深度取插入至水接管内径的三分之一到二分之一处时温度采集效果最好。目前，失效机组测温套管均插至水接管内径的二分之一，测温套管伸入长度缩短是可行的，但不应小于水接管内径的三分之一。
因此，把测温套管厚度增加至1mm，伸入长度减少到20mm的方案是可行的。
另外，确保测温套管在调试和运行过程中不再失效，需要制定量化的检查方法。
根据测温套管的安装方式，将测温套管简化为一端固定的悬臂梁，在另一端距离端部5 mm处施加力，如图8。把测温套管的屈服强度带入以下计算公式，计算得到施加的力应为203 N，计算公式如下：

式中
M－力矩，N●mm，M=FL；
F－力，N；
L－力臂，此处L=15 mm；
W－抗弯截面系数，测温套管的截面为圆环，;
D－测温套管外径，D=9.53 mm；
d－测温套管内径，d=7.53 mm；
σ－应力,σ取铜管退火态屈服强度, 即σ= 62 MPa。

使用以上公式计算的力，通过拉力机来验证安装后的测温套管承受外力的能力。一共选取10个式样，在距离测温套管自由端5mm处施加203 N的力，均未发现可见变形。根据前面的失效分析，这个力远大于测温套管在机组调试或运行过程中承受的水流冲击，因此把它作为检验的标准和合理的。
这种量化的检验方法确保测温套管的质量。

图8 测温套管拉弯试验

4 结语
本文通过对客户现场测温套管折弯泄漏问题的分析研究，确定了加厚测温套管并缩短内伸长度的方案，试验结果显示，测温套管厚度在0.6 mm到1.0 mm范围内变化或内伸长度在1/3到1/2水接管直径变化时， 对机组温度传感器采集反应速度的影响较小；另外通过分析计算和验证试验，给出了量化的测温套管质量检测标准，杜绝出现由于各种因素而导致的不合格产品流到客户处，彻底解决了问题。

参考文献：
[1] GB151 《管壳式换热器》，1999.
[2] TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》

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