熱工溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂原因淺析

大唐集團(tuán)公司 殷立國(guó)

近年來(lái)，一些發(fā)電機(jī)組發(fā)生主蒸汽監(jiān)測(cè)用熱工溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂、泄漏事故，嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此有些電廠熱控專業(yè)協(xié)同金屬專業(yè)加強(qiáng)了對(duì)溫度測(cè)量元件護(hù)套管的維護(hù)檢查，并對(duì)溫度測(cè)量元件護(hù)套管的選型和安裝方式上采取了一些針對(duì)性措施，收到良好的效果。本人對(duì)此進(jìn)行了收集和分析，供同仁參考。

1 典型熱工溫度測(cè)量元件護(hù)套斷裂案例

火電機(jī)組常采用熱電偶作為高溫、高壓蒸汽溫度的監(jiān)測(cè)，這種高溫高壓蒸汽具有很高的流速，以亞臨界機(jī)組為例，其壓力為18MPa、溫度540℃，流速可達(dá)40～60m/s，如此高的流體流速以及高溫高壓蒸汽，對(duì)溫度測(cè)量元件護(hù)套的沖擊將是十分有害的[1]，近年來(lái)發(fā)生的一些溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂、泄漏事故，充分說(shuō)明必須重視和加強(qiáng)對(duì)熱控溫度測(cè)量元件護(hù)套管的監(jiān)督檢查。

收集到自2000年起，某地區(qū)發(fā)生多起典型熱工溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂案例有：

（1）某自備電廠2號(hào)爐乙一級(jí)減溫器出口熱電偶護(hù)測(cè)量元件護(hù)套管出現(xiàn)裂紋，大量蒸汽向外噴出。停機(jī)停爐后解體檢查發(fā)現(xiàn)裂紋發(fā)生在錐體與進(jìn)刀連接處，裂紋已占整個(gè)圓周的70%。

（2）某電廠1號(hào)機(jī)組（125MW）汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)溫度測(cè)量元件護(hù)套管泄漏，急停搶修。

（3）某電廠1號(hào)1機(jī)組（300MW），因主蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)溫度元件護(hù)套管焊口泄漏，急停搶修。

（4）某電廠2號(hào)機(jī)組（600MW）正常運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)左側(cè)高壓主汽門進(jìn)汽管道性能試驗(yàn)用溫度測(cè)量元件護(hù)套管焊口突然開(kāi)裂，大量蒸汽沖出，立即緊急停機(jī)停爐搶修。事后分析發(fā)現(xiàn)焊縫存在大面積未熔合區(qū)。

（5）某廠2號(hào)機(jī)組（600MW）大修高壓缸解體發(fā)現(xiàn)爐側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽測(cè)溫元件護(hù)套管下半部斷裂，掉落部分卡在第一級(jí)靜葉進(jìn)汽側(cè)。

（6）某電廠2臺(tái)600MW機(jī)組投產(chǎn)3年中，2號(hào)機(jī)組溫度測(cè)量元件護(hù)套管發(fā)生2次斷裂事故，而比它早投產(chǎn)一年的1號(hào)機(jī)組則安然無(wú)恙。

2 典型熱工溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂原因分析

通過(guò)對(duì)斷裂溫度測(cè)量元件護(hù)套管原因的歸類分析，其原因大致有：

（1）溫度測(cè)量元件護(hù)套管受高速流體沖擊，載負(fù)過(guò)大，應(yīng)力超過(guò)極限；

（2）溫度測(cè)量元件護(hù)套管本身的加工缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成斷裂；

（3）管道振動(dòng)過(guò)大，造成溫度測(cè)量元件護(hù)套管疲勞損壞；

（4）流體流經(jīng)溫度測(cè)量元件護(hù)套管時(shí)，誘發(fā)溫度測(cè)量元件護(hù)套管振動(dòng)，即溫度測(cè)量元件護(hù)套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率比較接近產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種共振現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)量元件護(hù)套管損壞速度加快，以致斷裂。

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)同一批次、同一尺寸、同樣插入深度的溫度測(cè)量元件護(hù)套管，某一根可能運(yùn)行6～10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)損壞，而另一根可能在很短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生斷裂事故。如上述（6）案例，通過(guò)分析比較，認(rèn)為導(dǎo)致2號(hào)機(jī)組溫度測(cè)量元件護(hù)套管頻繁斷裂的主要原因是共振造成溫度測(cè)量元件護(hù)套管應(yīng)力疲勞所致。2號(hào)機(jī)組溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂照片見(jiàn)圖1。

圖1 某廠溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂情況

2.1 溫度測(cè)量元件護(hù)套管受力分析

圖2為熱工溫度測(cè)量元件護(hù)套管安裝示意圖。設(shè)溫度測(cè)量元件護(hù)套管的半徑為R、插入深度為L(zhǎng)、流體在管道內(nèi)的壓力為P，為便于分析，假設(shè)此時(shí)流通是滿管狀態(tài)，則溫度測(cè)量元件護(hù)套管的截面受力如圖3所示。

圖2 安裝圖

當(dāng)系統(tǒng)剛投運(yùn)瞬間，溫度測(cè)量元件護(hù)套管的插入部分正面單向受力[2]，如圖2所示，從而形成了溫度測(cè)量元件護(hù)套管繞其與管道結(jié)合點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩受力系統(tǒng)。設(shè)其最小受力單元為dx、最小受力力矩單元為dm，可以得到插入部分承受的力矩M為：流體流速穩(wěn)定后的受力分析如圖4所示，此時(shí)溫度測(cè)量元件

圖3 截面受力分析圖

護(hù)套管的正面和背面均處于受壓狀態(tài)，但由于溫度測(cè)量元件護(hù)套管阻力的原因造成了一定的壓力損失，使得正面的壓力大于背面的壓力，設(shè)這一壓差為ΔP，則通過(guò)公式(1)推算出溫度測(cè)量元件護(hù)套管受到的轉(zhuǎn)力矩大小為：

圖4 受力分析圖

2.2 溫度測(cè)量元件護(hù)套管共振機(jī)理分析

流體誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理大體可分為旋渦脫落、湍流顫振，流體彈性擾動(dòng)。其中旋渦脫落所導(dǎo)致的振動(dòng)是研究得最早、最完善的一種機(jī)理。

在亞音速橫向流中，任何非流線型尾部如果有足夠的拖跡邊緣都會(huì)產(chǎn)生旋渦脫落。當(dāng)旋渦從物體的兩側(cè)周期交替脫離時(shí)，便在物體上產(chǎn)生周期的升力和阻力。這種流線譜的變化將引起壓力分布變化，從而導(dǎo)致作用在物體上的流體壓力大小與方向的變化，最后引起物體振動(dòng)[3]。

通常由旋渦脫落引起的溫度測(cè)量元件護(hù)套管振動(dòng)的力量很小，可以忽略不計(jì)。但當(dāng)旋渦脫落的頻率與溫度測(cè)量元件護(hù)套管的固有頻率較接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下現(xiàn)象[4]：

（1）出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象。旋渦強(qiáng)度呈現(xiàn)周期性、時(shí)高時(shí)低；尾流沿跨長(zhǎng)的相關(guān)性增大、阻力增加；導(dǎo)致橫向升力增加達(dá)2～3倍；

（2）頻率鎖定。當(dāng)旋渦主導(dǎo)頻率很接近溫度測(cè)量元件護(hù)套管振動(dòng)頻率時(shí)，旋渦頻率不再隨來(lái)流速度增加而升高，而是保持與結(jié)構(gòu)頻率相等，稱為頻率鎖定。直到流速很大使得兩者的頻率相離較遠(yuǎn)時(shí)，主導(dǎo)頻率才發(fā)生變化；

（3）失諧。由于非線性的耦合作用，最大的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)振幅不是發(fā)生在旋渦頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相等處，而是在頻率鎖定段的中部。

因此，為了避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，溫度測(cè)量元件護(hù)套管的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

其中：fs為旋渦脫落頻率（流體撞擊產(chǎn)生的激勵(lì)頻率）；

f1為溫度測(cè)量元件護(hù)套管的固有頻率。

一般來(lái)說(shuō)，流體撞擊產(chǎn)生的激勵(lì)頻率要遠(yuǎn)低于溫度測(cè)量元件護(hù)套管的固有頻率，故在無(wú)其它激勵(lì)情況下，溫度測(cè)量元件護(hù)套管設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足（3）式要求。對(duì)此美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASME）規(guī)定，旋渦脫落頻率和溫度測(cè)量元件護(hù)套管固有頻率的比值應(yīng)小于0.8。

如果不能滿足（3）式要求，就要采取其它附加措施來(lái)避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 防止溫度測(cè)量元件護(hù)套管斷裂措施

針對(duì)以上理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為提高和改善溫度測(cè)量元件護(hù)套管的安全可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)做好如下防范措施：

（1）嚴(yán)格控制溫度測(cè)量元件護(hù)套管的插入深度。從公式(1)和公式(2)中可以看出，當(dāng)插入深度增加時(shí)，保護(hù)套管的受力成平方倍增加。由于大型機(jī)組主蒸汽溫度流速均已達(dá)到紊流狀態(tài)，其緊靠壁面的層流底層的厚度通常很薄。因此在對(duì)紊流狀態(tài)管道中流體測(cè)量溫度時(shí)，只需將溫度測(cè)量元件護(hù)套管插入到流體的等溫區(qū)就能準(zhǔn)確地測(cè)量流體的溫度，而無(wú)需插到管道的中心點(diǎn)。這樣就可縮短溫度測(cè)量元件護(hù)套管懸臂的長(zhǎng)度，可有效地減小其端點(diǎn)的振幅。圖5為層流和紊流狀態(tài)下管道內(nèi)流體的溫度常分布狀況。

圖5 管道中流體的溫度場(chǎng)分布曲線

（2）在保證必要的溫度測(cè)量元件護(hù)套管強(qiáng)度情況下，優(yōu)化選取溫度測(cè)量元件護(hù)套管的直徑。從公式(1)和公式(2)中可以看出，當(dāng)溫度測(cè)量元件護(hù)套管的直徑增加時(shí)，測(cè)量元件護(hù)套管受力呈線性增加，因此在選取測(cè)量元件護(hù)套管直徑的時(shí)候，既要合理的保證測(cè)量元件護(hù)套管的強(qiáng)度，又要盡可能的錯(cuò)開(kāi)共振危險(xiǎn)區(qū)。

（3）改變橫截面形狀，將其表面加工成圖6所示的結(jié)構(gòu)型式，使流體不產(chǎn)生漩渦脫落現(xiàn)象。

圖6 兩種通用熱電偶溫度測(cè)量元件護(hù)套管

（4）嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量，做好溫度測(cè)量元件護(hù)套管材質(zhì)檢查，結(jié)合機(jī)組大修做好焊口探傷檢查，嚴(yán)防焊口裂縫、斷裂等異常事故的發(fā)生。

（5）系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，避免發(fā)生管道上閥門突然全開(kāi)情況。從公式(1)中可以看出，在剛投運(yùn)開(kāi)啟閥門的瞬間，溫度測(cè)量元件護(hù)套管將承受很大的單向力，因此在系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)，要緩慢的開(kāi)啟閥門，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小測(cè)量元件護(hù)套管正面和背面的壓力差，避免測(cè)量元件護(hù)套管因單向受力過(guò)大而導(dǎo)致測(cè)量元件護(hù)套管斷裂事故發(fā)生。

[1]王祥主. 電廠熱力設(shè)備及系統(tǒng)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006.

[2]張東風(fēng). 熱工測(cè)量及儀表[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2007.

[3]張國(guó)華, 張永忠. 機(jī)械故障診斷[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1999.

[4]劉民治. 失效分析的思路與診斷[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.