溫度計套管斷裂原因簡單分析

　　摘要：本文簡要介紹了華東地區(qū)火電機(jī)組典型溫度計套管斷裂事故，分析了溫度計套管受力情況及共振機(jī)理，zui后提出了防范措施。
　　
　　近年來，不少發(fā)電機(jī)組發(fā)生主蒸汽監(jiān)測用溫度計套管斷裂、泄漏事故，嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此不少電廠熱控專業(yè)協(xié)同金屬專業(yè)加強(qiáng)了對溫度計套管的維護(hù)檢查，并對溫度計套管的選型和安裝方式采取了一些針對性措施，收到了良好的效果。
　　
　　一、溫度計套管斷裂案例
　　
　　火電機(jī)組常采用熱電偶監(jiān)測具有很高流速的高溫、高壓蒸汽的溫度，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，如此高的流速以及高溫高壓，對溫度計套管的沖擊將是十分巨大而有害的，近年來發(fā)生的大量溫度計套管斷裂、泄漏事故充分說明必須重視和加強(qiáng)對溫度計套管的監(jiān)督檢查。
　　
　　自2000年起，華東地區(qū)發(fā)生的多起典型溫度計套管斷裂案例有：
　　
　　（1）2000年9月27日，某自備電廠2號爐乙一級減溫器出口熱電偶溫度套管出現(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，裂紋已占整個圓周的70%。
　　
　　（2）2005年6月5日，某電廠1號機(jī)組（125MW）汽機(jī)調(diào)節(jié)級溫度計套管泄漏，急停搶修。
　　
　　（3）2005年8月27日，某電廠1號1機(jī)組（300MW），因主蒸汽溫度測點(diǎn)溫度計套管焊口泄漏，急停搶修。
　　
　　（4）2006年7月25日，某電廠2號機(jī)組（600MW）正常運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)左側(cè)高壓主汽門進(jìn)汽管道性能試驗(yàn)用測點(diǎn)溫度計套管焊口突然開裂，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）2008年3月12日，某廠2號機(jī)組（600MW）大修高壓缸解體發(fā)現(xiàn)爐側(cè)調(diào)節(jié)級蒸汽測溫元件溫度計套管下半部斷裂，掉落部分卡在*級靜葉進(jìn)汽側(cè)。
　　
　　二、典型溫度計套管斷裂原因分析
　　
　　通過對溫度計套管斷裂原因的歸類分析，大致有：
　　
　　（1）溫度計套管受高速流體沖擊，載負(fù)過大，應(yīng)力超過極限；
　　
　　（2）溫度計套管本身的加工缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成斷裂；
　　
　　（3）管道振動過大，造成溫度計套管疲勞損壞；
　　
　　（4）流體流經(jīng)溫度計套管時，誘發(fā)溫度計套管振動，即溫度計套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率產(chǎn)生共振。這種共振現(xiàn)象會導(dǎo)致溫度計套管損壞速度加快，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計套管，某一根可能運(yùn)行6～10年甚至更長時間也不會損壞，而另一根可能在很短時間內(nèi)就發(fā)生斷裂事故。如某電廠2臺600MW機(jī)組自2000年投產(chǎn)以來，2號機(jī)組溫度計套管已發(fā)生2次斷裂事故，而比它早投產(chǎn)一年的1號機(jī)組則安然無恙，通過分析比較，認(rèn)為導(dǎo)致2號機(jī)組溫度計套管頻繁斷裂的主要原因是共振造成溫度計套管應(yīng)力疲勞所致。2號機(jī)組溫度計套管斷裂照片見圖1。　　
　　2.1 溫度計套管受力分析
　　
　　圖2為溫度計套管安裝示意圖。溫度計套管的半徑為R、插入深度為L、流體在管道內(nèi)的壓力為P，為便于分析，假設(shè)此時流通是滿管狀態(tài)，則溫度計套管的截面受力如圖3所示。　　
　　當(dāng)系統(tǒng)剛投運(yùn)瞬間，溫度計套管的插入部分正面單向受力，如圖2的上圖所示，從而形成了溫度計套管繞其與管道結(jié)合點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩受力系統(tǒng)。設(shè)其zui小受力單元為dx、zui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，此時溫度計套管的正面和背面均處于受壓狀態(tài)，但由于溫度計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，則通過公式（1）推算出溫度計套管受到的轉(zhuǎn)力矩大小為：　　
　　2.2 溫度計套管共振機(jī)理分析
　　
　　流體誘發(fā)振動機(jī)理大體可分為旋渦脫落、湍流顫振、流體彈性擾動。其中旋渦脫落所導(dǎo)致的振動是研究得zui早、zui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，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，zui后引起物體振動。
　　
　　通常由旋渦脫落引起的溫度計套管振動的力量很小，可以忽略不計。但當(dāng)旋渦脫落的頻率與溫度計套管的固有頻率較接近時，會產(chǎn)生以下現(xiàn)象：
　　
　　（1）出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象旋渦強(qiáng)度呈現(xiàn)周期性、時高時低；尾流沿跨長的相關(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)頻率很接近溫度表袋振動頻率時，旋渦頻率不再隨來流速度增加而升高，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，主導(dǎo)頻率才發(fā)生變化；
　　
　　（3）失諧由于非線性的耦合作用，zui大的穩(wěn)態(tài)振動振幅不是發(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，溫度計套管的設(shè)計應(yīng)滿足如下關(guān)系式：　　
　　其中：fs——旋渦脫落頻率（流體撞擊產(chǎn)生的激勵頻率）；
　　
　　f1——溫度計套管的固有頻率。
　　
　　一般來說，流體撞擊產(chǎn)生的激勵頻率要遠(yuǎn)低于溫度計套管的固有頻率，故在無其它激勵情況下，溫度計套管設(shè)計應(yīng)該滿足（3）式要求。對此美國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（ASME）規(guī)定，旋渦脫落頻率和溫度計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避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　　
　　三、防止溫度計套管斷裂的措施
　　
　　針對以上理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為提高和改善溫度計套管的安全可靠性，延長其使用壽命，應(yīng)做好如下防范措施：
　　
　　（1）嚴(yán)格控制溫度計套管的插入深度。從公式（1）和公式（2）中可以看出，當(dāng)插入深度增加時，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。因此在對紊流狀態(tài)管道中流體測量溫度時，只需將溫度計套管插入到流體的等溫區(qū)就能準(zhǔn)確地測量流體的溫度，而無需插到管道的中心點(diǎn)。這樣就可縮短溫度表袋懸臂的長度，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)流體的溫度場分布狀況。　　
　　（2）在保證必要的溫度計套管強(qiáng)度情況下，優(yōu)化選取溫度計套管的直徑。從公式（1）和公式（2）中可以看出，當(dāng)溫度計套管的直徑增加時，表袋受力呈線性增加，因此在選取表袋直徑的時候，既要合理保證套管的強(qiáng)度，又要盡可能錯開共振危險區(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。
　　
　　（4）嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量，做好溫度計套管材質(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，避免發(fā)生管道上閥門突然全開情況。從公式（1）中可以看出，在剛投運(yùn)開啟閥門的瞬間，溫度計套管將承受很大的單向力，因此在系統(tǒng)剛投運(yùn)時，要緩慢地開啟閥門，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小溫度計套管正面和背面的壓力差，避免套管因單向受力過大而導(dǎo)致套管斷裂事故發(fā)生。