高天云

（華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海 200437）

大型火電機(jī)組常用熱電偶監(jiān)測(cè)高溫、高壓蒸汽的溫度。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)40m/s～60m/s，因此必須有足夠強(qiáng)度的溫度袋對(duì)熱電偶進(jìn)行保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)，溫度袋壁厚的增加能提高其應(yīng)力強(qiáng)度，但是壁厚的增加會(huì)造成熱電偶熱惰性的增加，降低了熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。所以，將溫度袋做成錐形，端部璧薄而根部壁厚，以增強(qiáng)其整體強(qiáng)度，如圖1所示。

近年來(lái)，華東地區(qū)大型火電機(jī)組熱電偶溫度袋斷裂、泄漏時(shí)有發(fā)生，威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 溫度袋斷裂案例

(1) 2000-09-27，某自備電廠2號(hào)爐乙一級(jí)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(gè)圓周的70%。

(2) 2001年5月，某自備電廠在0號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)(100

MW)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有一斷裂溫度袋被擋在燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)馊肟跒V網(wǎng)處，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該斷裂溫度袋與高爐煤氣管道上一斷裂溫度袋斷口完全吻合。

(3) 2005-06-05，某電廠1號(hào)機(jī)組(125MW)汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)溫度袋泄漏，急停搶修。

(4) 2005-08-27，某電廠1號(hào)機(jī)組(300MW)，因主蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)溫度袋焊口泄漏，急停搶修。

(5) 2006-07-25，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)點(diǎn)溫度袋焊口突然開(kāi)裂，大量蒸汽沖出，立即緊急停機(jī)停爐搶修。事后檢查發(fā)現(xiàn)，焊縫存在大面積未熔合區(qū)。

(6) 2008-03-12，某電廠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)溫元件溫度袋下半部斷裂，掉落部分卡在第一級(jí)靜葉進(jìn)汽側(cè)。

2 斷裂原因分析

通過(guò)對(duì)斷裂溫度袋原因的歸類分析，大致有：

(1) 溫度袋受流體沖擊，載負(fù)過(guò)大，應(yīng)力超過(guò)極限；

(2) 溫度袋本身的加工缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成斷裂；

(3) 管道振動(dòng)過(guò)大，造成溫度袋疲勞損壞；

(4) 流體流經(jīng)溫度袋時(shí)，誘發(fā)溫度袋振動(dòng)，即溫度袋固有頻率和流體漩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)致溫度袋損壞速度加快，以致斷裂。

在實(shí)際工作中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)同一批次、同一尺寸、同樣插入深度的溫度袋，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。如某電廠2臺(tái)600MW機(jī)組自2000年投產(chǎn)以來(lái)，2號(hào)機(jī)組溫度袋已發(fā)生2次斷裂，而較早投產(chǎn)的1號(hào)機(jī)組則安然無(wú)恙。2號(hào)機(jī)組溫度袋斷裂照片見(jiàn)圖2。

實(shí)踐證明，共振是造成溫度袋斷裂的主要原因。當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，溫度袋會(huì)受到周期性的交變應(yīng)力。如果溫度袋長(zhǎng)期承受很強(qiáng)的交變應(yīng)力，在某些應(yīng)力集中的部位會(huì)出現(xiàn)裂紋，在高溫蒸汽的沖刷下就會(huì)發(fā)生泄漏、斷裂。

3 共振機(jī)理

流體誘發(fā)振動(dòng)的機(jī)理大體可分為漩渦脫落、湍流顫振、流體彈性擾動(dòng)。其中漩渦脫落所導(dǎo)致的振動(dòng)(渦致振動(dòng))是研究得最早和最完善的一種機(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)生漩渦脫落。當(dāng)漩渦從物體的兩側(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)。

通常由漩渦脫落引起的溫度袋振動(dòng)的力量很小，可以忽略不計(jì)。但文獻(xiàn)[1]指出，當(dāng)漩渦脫落的頻率與溫度袋的固有頻率較接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下現(xiàn)象：

(1) 出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象。漩渦強(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)漩渦主導(dǎo)頻率很接近溫度袋的固有頻率時(shí)，漩渦頻率不再隨來(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)生在漩渦頻率與結(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，溫度袋的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

其中：fs—漩渦脫落頻率(流體撞擊產(chǎn)生的激勵(lì)頻率）；f1—溫度袋的固有頻率。

一般來(lái)說(shuō)，流體撞擊產(chǎn)生的激勵(lì)頻率要遠(yuǎn)低于溫度袋的固有頻率，故在無(wú)其他激勵(lì)情況下，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASME)規(guī)定，漩渦脫落頻率和溫度袋固有頻率的比值應(yīng)小于0.8。

如果不能滿足式(1)要求，就要采取措施，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4 防止溫度袋斷裂措施

針對(duì)以上理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為提高和改善溫度袋的安全可靠性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，應(yīng)采取如下防范措施。

(1) 嚴(yán)格控制溫度袋的插入深度。管道中流體的溫度場(chǎng)分布曲線如圖3所示、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很小，因此在對(duì)紊流狀態(tài)管道中流體測(cè)量溫度時(shí)，只需將溫度袋插入到流體的等溫區(qū)就能準(zhǔn)確地測(cè)量流體溫度，而無(wú)需插到管道的中心點(diǎn)。這樣就大大縮短了溫度袋懸臂的長(zhǎng)度，可有效減小其端點(diǎn)的振幅。

(2) 在不影響測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間的情況下，增大溫度袋外徑可以提高截面慣性矩，錯(cuò)開(kāi)共振危險(xiǎn)區(qū)。

(3) 改變橫截面形狀，將其表面加工成流線型，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，做好溫度袋管材的檢驗(yàn)，結(jié)合機(jī)組大修做好焊口探傷檢查，嚴(yán)防焊口裂縫、斷裂等異常發(fā)生。

1 白萊文斯 RD. 流體誘發(fā)振動(dòng), 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1983