如何計算超超臨界發電機組溫度測量保護管的強度

　　引言
　　
　　超超臨界發電機組是當今世界上一項既成熟又不斷發展的火電技術，其采用提高蒸汽的壓力、溫度和中間再熱技術等方式來提高發電效率，熱效率達46%-50%，較亞臨界機組熱效率（41％-45%）有大幅度提高。所以，采用超超臨界發電技術是提高煤電機組發電效率的主要技術方向。蒸汽參數的提高，使鍋爐、汽輪機、發電機與輔機等方面的測溫工質情況發生了很大的變化，尤其是被測介質蒸汽管道中測溫工質情況的變化對溫度傳感器提出了新的要求。本文以保護管為例，根據材料力學的方法，就超超臨界發電機組溫度傳感器的強度安全性進行了分析。
　　
　　一、溫度測量保護管
　　
　　1.1保護管的作用
　　
　　保護管是用來保護感溫元件不受機械損傷和介質化學腐蝕的裝置，屬于接觸式測量溫度儀表，在生產過程的溫度測量中，通常是將它直接與被測量對象接觸，以保證感溫元件使用的可靠性，延長使用壽命。
　　
　　1.2對保護管的基本要求
　　
　　根據溫度計保護管在超超臨界工況條件下所起的作用，它應具備以下特性。
　　
　　①耐高溫：即在測量溫度上限使用時不應產生變質和變形，同時，在高溫下受氧化性氣氛或還原性氣氛的作用影響較小，并且有一定的使用壽命。
　　
　　②耐腐蝕：在用于酸或堿以及在有腐蝕性的介質中時，應能保證一定的使用壽命。
　　
　　③熱傳導性能好：熱導系數大的材料，可以減小感溫元件的時間常數，達到響應時間快的目的。
　　
　　④氣密封好：以防止外界有害氣體的侵人，從而避免影響感溫元件使用的可靠性和使用壽命。
　　
　　⑤耐溫性好：感溫元件在工作中往往存在溫度的沖擊，因此，要求保護管材料能承受溫度的劇變而不損壞。
　　
　　⑥強度好：保護管應能承受其在實際工況條件下所受到的溫度、壓力和流速影響而不被破壞，且具有一定的安全裕度。
　　
　　在實際應用中，需根據上述要求來進行保護管的選擇。
　　
　　1.3保護管的常用材料
　　
　　感溫元件保護管常用的材料可分為金屬和非金屬兩大類，用戶可根據其特點和用途選用。溫度保護管材料選用ICr18NigTi，其zui高工作溫度可達800℃，在高溫下具有良好的機械和化學穩定性能；具有足夠的蠕變斷裂強度和很好的抗高溫腐蝕性能，特別對磷酸和硝酸有很好的耐腐蝕性能。目前，大量的感溫元件保護套管采用的是ICr18NigTi，它廣泛地應用于石油、化工、電站以及其他工業的加熱爐、退火爐等溫度測量，但在高溫下抗還原性較差。
　　
　　1.4保護套管的結構設計要點
　　
　　為了得到正確的溫度測量結果，感溫元件保護管的zui小插人長度應是保護管直徑的六倍以上，結構形式視實際工況而定。在超超臨界發電機組中，主蒸汽管道等承壓管道溫度測量用保護管一般采用錐型整體鉆孔管，安裝結構采用焊接式。
　　
　　二、保護套管的相關計算
　　
　　為了確保保護管的安全使用，避免發生事故，使用者應在使用前根據使用條件進行強度、穩定性和耐振動強度計算。下面就以超超臨界發電機組中主蒸汽管道選用的保護套管（保護套管結構形式、直徑和長度已經確定錐型保護管根部直徑39mm、錐型保護管頂部直徑23mm、錐型保護管內孔直徑6.5mm、長度150mm為例，運用材料力學第四強度理論，對其強度進行計算分析。
　　
　　2.1計算時的假定
　　
　　為了便于對保護管進行計算，預先給出下列假定
　　
　　①承受均布的載荷：保護管作為懸臂梁，沿其軸向（即管道徑向）均勻地受到以中心zui大流速所產生的zui大壓力；
　　
　　②僅受外壓，內壓等于0：即保護管僅受到外壓作用，管內沒有壓力；
　　
　　③阻尼因素為0：保護管為無阻尼的強迫振動；
　　
　　④卡門渦流形成的力等于流速壓力；
　　
　　⑤保護管工作時所承受的zui大外壓為40MPa，zui高溫度為650℃，zui大流速為100m/s，測溫介質為蒸汽；
　　
　　⑥保護管安裝結構：焊接。
　　
　　2.2保護管強度計算
　　
　　保護管的結構應能承受流體壓力（靜壓力）產生的垂直應力和曳動阻力（動壓力）的作用。金屬材料的保護管通常為塑性材料，根據材料力學第四強度理論，垂直應力可按下式計算：　　
　　厚壁圓筒的承壓應力如下。　　
　　當溫度保護套管受外壓為P2、內壓為P1=0時，徑向應力為:　　由此可得，在錐型管沿高的任何外表面的應力恒等于外壓的負值，受到的周（切）向應力為：　　由式（6）可知，溫度保護套管根部內、外壁及頂部內、外壁應力計算值及周向應力沿長度（mm）如表1所示。表中應力均為壓應力，即帶有“一”號。　　
　　①保護管外徑處不同長度（0-1500mm）的應力計算如下：　　
　　②不同長度保護管軸向應力計算如下（長度為150mm）:　　
　　由式（8）可知，軸向應力在根部應力zui小為-41.1429MPa。對于不同長度的錐體，當大頭直徑和小頭直徑為定值時，錐形套管具有相同的外直徑處其應力也相同。所以，不同規格長度的溫度套管頂部的軸向應力均為-43.47MPa。
　　
　　③不同長度溫度套管沿長度軸向應力變化計算如下:　　在保護套管各處只受外壓作用時（無流體的動壓力作用時），經過嚴格推導得出：　　式中：r1為所求保護管橫截面的內半徑，m;r2為所求保護管橫截面的外半徑，m;r為所求保護管橫截面任意半徑，m;P2為保護套管外蒸汽壓力，MPa。
　　
　　當溫度保護套管在管內受到流體動壓作用力時，不能用式（12）計算。這是因為迎來流側受到流體動壓作用力，產生的力受拉應力作用，抵消一部分壓應力，背來流一側受到動壓的作用力，產生壓應力作用，從而使應力與外壓作用的壓應力疊加。
　　
　　④流體動壓力產生的彎曲應力保護套管應能承受管道內流體的動壓力作用。保護管可視為一懸臂梁，根據材料力學可按照式（13）計算：　　
　　保護套管在管導中受動壓力的作用，在危險斷面所造成的彎矩為：　　
　　根據材料力學理論，保護套管危險斷面的抗彎截面系數W可用下式計算:　　若上式中求M用溫度保護套管的總長度，則對應的根部截面就是危險截面。另外，值得注意的是，溫度保護套管上的抗彎應力有正負之分，在來流側受拉應力取“+”，背來流側受壓應力取“-”。　　
　　保護套管在管道中受動壓力的作用，在危險斷面所造成的彎矩為：　　
　　當長度L＝1500mm時，保護管某一截面處的截面系數由下式計算可得:　　
　　考核靜應力強度時，以根部截面應力為考核指標。根部截面合成應力如表2所示。考慮到氣流推力的彎距和剪切，在截面相對氣流的上下游分別產生拉應力和壓應力。因此，上游（內側1、外側l）軸向拉應力是抵消的，而下游（內側2、外側2）軸向拉應力是增加的。　　
　　表2計算結果表明，按照第四強度理論，溫度計套管V-Miseszui大應力為72.06MPa。　　
　　當改變保護管參數（可以一次改變一個參數，也可以同時改變多參數）后，需重新進行強度計算，直至滿足溫度計套管的靜應力安全系數大于1.5，使保護管處于安全狀態。
　　
　　三、結束語
　　
　　本文基于超超臨界工作條件，對的溫度傳感器保護管壓力進行了強度計算，既提供了強度計算的方法，又對保護管的設計提供了改進建議，從而說明了超超臨界發電機組用溫度傳感器保護管進行強度計算的必要性。通過計算可以進行保護管安全性驗證，保證保護管的安全使用。除了本文介紹的保護管強度計算外，讀者還可按ASMEPTC19.3對保護管進行頻率驗證。