大唐集團公司 殷立國

近年來，一些發(fā)電機組發(fā)生主蒸汽監(jiān)測用熱工溫度測量元件護套管斷裂、泄漏事故，嚴重影響到機組的安全經濟運行。因此有些電廠熱控專業(yè)協(xié)同金屬專業(yè)加強了對溫度測量元件護套管的維護檢查，并對溫度測量元件護套管的選型和安裝方式上采取了一些針對性措施，收到良好的效果。本人對此進行了收集和分析，供同仁參考。

1 典型熱工溫度測量元件護套斷裂案例

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

（1）某自備電廠2號爐乙一級減溫器出口熱電偶護測量元件護套管出現(xiàn)裂紋，大量蒸汽向外噴出。停機停爐后解體檢查發(fā)現(xiàn)裂紋發(fā)生在錐體與進刀連接處，裂紋已占整個圓周的70%。

（2）某電廠1號機組（125MW）汽機調節(jié)級溫度測量元件護套管泄漏，急停搶修。

（3）某電廠1號1機組（300MW），因主蒸汽溫度測點溫度元件護套管焊口泄漏，急停搶修。

（4）某電廠2號機組（600MW）正常運行過程中，發(fā)現(xiàn)左側高壓主汽門進汽管道性能試驗用溫度測量元件護套管焊口突然開裂，大量蒸汽沖出，立即緊急停機停爐搶修。事后分析發(fā)現(xiàn)焊縫存在大面積未熔合區(qū)。

（5）某廠2號機組（600MW）大修高壓缸解體發(fā)現(xiàn)爐側調節(jié)級蒸汽測溫元件護套管下半部斷裂，掉落部分卡在第一級靜葉進汽側。

（6）某電廠2臺600MW機組投產3年中，2號機組溫度測量元件護套管發(fā)生2次斷裂事故，而比它早投產一年的1號機組則安然無恙。

2 典型熱工溫度測量元件護套管斷裂原因分析

通過對斷裂溫度測量元件護套管原因的歸類分析，其原因大致有：

（1）溫度測量元件護套管受高速流體沖擊，載負過大，應力超過極限；

（2）溫度測量元件護套管本身的加工缺陷，導致應力集中，容易造成斷裂；

（3）管道振動過大，造成溫度測量元件護套管疲勞損壞；

（4）流體流經溫度測量元件護套管時，誘發(fā)溫度測量元件護套管振動，即溫度測量元件護套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率比較接近產生共振現(xiàn)象。這種共振現(xiàn)象會導致溫度測量元件護套管損壞速度加快，以致斷裂。

在實際應用中，經常發(fā)現(xiàn)同一批次、同一尺寸、同樣插入深度的溫度測量元件護套管，某一根可能運行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就發(fā)生斷裂事故。如上述（6）案例，通過分析比較，認為導致2號機組溫度測量元件護套管頻繁斷裂的主要原因是共振造成溫度測量元件護套管應力疲勞所致。2號機組溫度測量元件護套管斷裂照片見圖1。

圖1 某廠溫度測量元件護套管斷裂情況

2.1 溫度測量元件護套管受力分析

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

圖2 安裝圖

當系統(tǒng)剛投運瞬間，溫度測量元件護套管的插入部分正面單向受力[2]，如圖2所示，從而形成了溫度測量元件護套管繞其與管道結合點的轉矩受力系統(tǒng)。設其最小受力單元為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，此時溫度測量元件

圖3 截面受力分析圖

護套管的正面和背面均處于受壓狀態(tài)，但由于溫度測量元件護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，設這一壓差為ΔP，則通過公式(1)推算出溫度測量元件護套管受到的轉力矩大小為：

圖4 受力分析圖

2.2 溫度測量元件護套管共振機理分析

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

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生旋渦脫落。當旋渦從物體的兩側周期交替脫離時，便在物體上產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[3]。

通常由旋渦脫落引起的溫度測量元件護套管振動的力量很小，可以忽略不計。但當旋渦脫落的頻率與溫度測量元件護套管的固有頻率較接近時，會產生以下現(xiàn)象[4]：

（1）出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象。旋渦強度呈現(xiàn)周期性、時高時低；尾流沿跨長的相關性增大、阻力增加；導致橫向升力增加達2～3倍；

（2）頻率鎖定。當旋渦主導頻率很接近溫度測量元件護套管振動頻率時，旋渦頻率不再隨來流速度增加而升高，而是保持與結構頻率相等，稱為頻率鎖定。直到流速很大使得兩者的頻率相離較遠時，主導頻率才發(fā)生變化；

（3）失諧。由于非線性的耦合作用，最大的穩(wěn)態(tài)振動振幅不是發(fā)生在旋渦頻率與結構固有頻率相等處，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，溫度測量元件護套管的設計應滿足如下關系式：

其中：fs為旋渦脫落頻率（流體撞擊產生的激勵頻率）；

f1為溫度測量元件護套管的固有頻率。

一般來說，流體撞擊產生的激勵頻率要遠低于溫度測量元件護套管的固有頻率，故在無其它激勵情況下，溫度測量元件護套管設計應該滿足（3）式要求。對此美國機械工程師協(xié)會標準（ASME）規(guī)定，旋渦脫落頻率和溫度測量元件護套管固有頻率的比值應小于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)象的產生。

3 防止溫度測量元件護套管斷裂措施

針對以上理論分析和實踐經驗，為提高和改善溫度測量元件護套管的安全可靠性，延長其使用壽命，應做好如下防范措施：

（1）嚴格控制溫度測量元件護套管的插入深度。從公式(1)和公式(2)中可以看出，當插入深度增加時，保護套管的受力成平方倍增加。由于大型機組主蒸汽溫度流速均已達到紊流狀態(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，只需將溫度測量元件護套管插入到流體的等溫區(qū)就能準確地測量流體的溫度，而無需插到管道的中心點。這樣就可縮短溫度測量元件護套管懸臂的長度，可有效地減小其端點的振幅。圖5為層流和紊流狀態(tài)下管道內流體的溫度常分布狀況。

圖5 管道中流體的溫度場分布曲線

（2）在保證必要的溫度測量元件護套管強度情況下，優(yōu)化選取溫度測量元件護套管的直徑。從公式(1)和公式(2)中可以看出，當溫度測量元件護套管的直徑增加時，測量元件護套管受力呈線性增加，因此在選取測量元件護套管直徑的時候，既要合理的保證測量元件護套管的強度，又要盡可能的錯開共振危險區(qū)。

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

圖6 兩種通用熱電偶溫度測量元件護套管

（4）嚴格控制檢修質量，做好溫度測量元件護套管材質檢查，結合機組大修做好焊口探傷檢查，嚴防焊口裂縫、斷裂等異常事故的發(fā)生。

（5）系統(tǒng)投運時，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，在剛投運開啟閥門的瞬間，溫度測量元件護套管將承受很大的單向力，因此在系統(tǒng)剛投運時，要緩慢的開啟閥門，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小測量元件護套管正面和背面的壓力差，避免測量元件護套管因單向受力過大而導致測量元件護套管斷裂事故發(fā)生。

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

[2]張東風. 熱工測量及儀表[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[3]張國華, 張永忠. 機械故障診斷[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 1999.

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