（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)有限公司，武漢 430223）

高溫高壓條件下新型熱電偶密封結(jié)構(gòu)分析與研究

劉妍,施少波,葉景松,王艷芝

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)有限公司，武漢 430223）

常用的高溫高壓熱電偶是采用護(hù)套的安裝方式，護(hù)套很厚使得溫度測(cè)量的響應(yīng)速度以及準(zhǔn)確度大大降低。文章提出了一種新型的適用于高溫高壓管道的自緊式熱電偶密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不需要使用保護(hù)護(hù)套，熱電偶可直接與管道內(nèi)介質(zhì)接觸，提高響應(yīng)速度，減小測(cè)量誤差。為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，通過有限元法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了密封性和熱應(yīng)力的分析，計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)最少能夠滿足15MPa，350℃條件下使用的要求且不會(huì)發(fā)生密封螺紋的咬死問題。同時(shí)，對(duì)該結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了冷態(tài)以及熱態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠承受70MPa的冷態(tài)靜壓以及滿足15MPa，344℃的運(yùn)行環(huán)境要求。

高溫高壓;熱電偶;熱應(yīng)力;自緊式密封

0 引言

日前，在進(jìn)行模擬核電站的高溫高壓試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量設(shè)計(jì)過程中遇到一個(gè)難題：按照《HG/T20507-2000自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定》要求，試驗(yàn)管道上（熱態(tài)15MPa，350℃）的熱電偶應(yīng)選用整體鉆孔直形或錐形保護(hù)護(hù)套管，這種結(jié)構(gòu)的熱電偶響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（60s～120s），不滿足實(shí)際需求，其原因在于保護(hù)護(hù)套管的直徑較粗，壁厚較厚，熱電偶與介質(zhì)沒有直接接觸。為提高測(cè)溫的響應(yīng)時(shí)間，便于儀表的安裝與拆卸，本文提出了一種新型的熱電偶結(jié)構(gòu)。

本文采用線密封加活套螺紋的方式形成一種自緊式密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不需要墊片，也不需要使用保護(hù)護(hù)套，熱電偶可直接與管道內(nèi)介質(zhì)接觸。計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能滿足密封和強(qiáng)度要求，針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行的冷態(tài)水壓試驗(yàn)顯示，在70MPa的高壓下，結(jié)構(gòu)并未發(fā)生泄露和損壞。

1 熱電偶密封結(jié)構(gòu)

普通螺紋連接方式的熱電偶結(jié)構(gòu)如圖1所示，其密封依靠于螺紋尺寸和平面墊片。本文借鑒凸鏡墊片形式，將弧面與錐面相切的線密封融合到熱電偶的結(jié)構(gòu)中，如圖2所示。采用該結(jié)構(gòu)的熱電偶本體上具有一定的圓弧度，熱電偶安裝接管上部為一錐面，圓弧和錐面有一個(gè)切點(diǎn)，在外活套螺紋的作用下，熱電偶本體與熱電偶接管貼合成一條線，線密封比面密封的單點(diǎn)作用力大，有利于高壓下的密封。

新型熱電偶包括活套螺紋、熱電偶本體以及熱電偶安裝座3部分，熱電偶安裝座焊接在回路管道上，熱電偶本體在活套螺紋的作用下，與熱電偶安裝座實(shí)現(xiàn)貼合密封，保證不發(fā)生介質(zhì)泄露。試驗(yàn)回路管段采用的是P91材質(zhì)，而常規(guī)不銹鋼材質(zhì)與P91的熱膨脹系數(shù)相差較遠(yuǎn)，為方便安裝與焊接，熱電偶安裝座與活套螺紋均采用與管道同樣的材質(zhì)，熱電偶本體采用不銹鋼材質(zhì)，在高溫情況下，不銹鋼

圖 1 普通螺紋連接方式的熱電偶Fig.1 Common thread connecting method of thermocouple

圖 2 新型熱電偶結(jié)構(gòu)Fig.2 New thermocouple

圖 3 新型熱電偶計(jì)算模型Fig.3 The new model for calculating the thermocouple

圖4 模型放大效果Fig.4 Model amplification

圖 5 彈性計(jì)算螺紋接觸處的應(yīng)力MPaFig.5 The stress of the elastic computing thread contact of MPa

圖 6 塑性計(jì)算熱電偶接觸壓力MPaFig.6 Plastic to solve the contact pressure thermocouple MPa

圖 7 冷態(tài)水壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Cold water pressure test results

圖 8 熱態(tài)性能試驗(yàn)裝置Fig.8 Thermal state performance test device

圖 9 熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果（X軸為時(shí)間，單位為分鐘）Fig.9 Thermal state test results (X axis as the time, the unit is minutes)

材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)大于P91的熱膨脹系數(shù)，熱電偶本體與熱電偶安裝座的貼合會(huì)愈發(fā)緊實(shí)，實(shí)現(xiàn)自緊式密封。

2 計(jì)算驗(yàn)證

本文計(jì)算工況內(nèi)壓為15MPa，溫度為350℃。由于對(duì)熱電偶密封螺紋并沒有明確的預(yù)緊力施加要求，球型線密封也沒有明確的密封泄漏的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，為了計(jì)算方便，本文以GB150的常規(guī)法蘭不銹鋼墊片為基礎(chǔ)，以不銹鋼法蘭墊片

的密封比壓需要的預(yù)緊力來推算球型密封的預(yù)緊力。相對(duì)于法蘭墊片，熱電偶的球型線密封由于內(nèi)外材料膨脹系數(shù)不一樣，在升溫過程密封會(huì)更緊，因此利用法蘭墊片的密封比壓推算的預(yù)緊力進(jìn)行評(píng)定是偏保守且有余量的。

預(yù)緊狀態(tài)下不銹鋼墊片的比壓力[2]為179.3MPa，操作狀態(tài)下不銹鋼的比壓力由公式1反推為2m×Pc=195MPa。

Fp=6.28×DG×b×m×Pc

其中：Fp為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力；

DG為墊片的壓緊力作用中心圓直徑；

b墊片有效密封寬度；

m不銹鋼墊片系數(shù)，為6.5；

Pc計(jì)算壓力。

本設(shè)計(jì)熱電偶采用316L不銹鋼，熱電偶安裝座套和活套螺紋為P91材料，材料參數(shù)根據(jù)ASME第III卷D篇[3]選取。建立模型如圖3和圖4所示。

本次計(jì)算采用軸對(duì)稱模型，對(duì)熱電偶的一些不影響強(qiáng)度和密封的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。左邊部分為熱電偶簡(jiǎn)化模型，右下為安裝座套簡(jiǎn)化模型，右上為活套螺紋簡(jiǎn)化模型。模型定義了3組接觸：熱電偶頂部和活套螺紋蓋下部的接觸；熱電偶和安裝座套的接觸；活套螺紋和安裝座套的螺紋接觸。計(jì)算分兩步，第一步計(jì)算預(yù)緊力過程，第二步計(jì)算在15MPa內(nèi)壓和350℃下結(jié)構(gòu)的受力和熱電偶的密封性。

在熱電偶密封過程和加載過程中，熱電偶和安裝座套接觸的位置可能會(huì)發(fā)生局部的塑性變形，但是對(duì)熱電偶結(jié)構(gòu)來說，最重要的是兩點(diǎn)：

1）活套螺紋不會(huì)發(fā)生咬死現(xiàn)象。

2）密封滿足要求，不會(huì)發(fā)生泄露。

基于上述兩點(diǎn)，本此計(jì)算進(jìn)行了兩次：第一次計(jì)算，材料全部定義為彈性材料，相對(duì)實(shí)際過程，定義彈性材料會(huì)對(duì)螺紋連接產(chǎn)生更大的膨脹力，此次計(jì)算評(píng)定螺紋接觸受力，只要此情況螺紋接觸區(qū)域不會(huì)發(fā)生較大量的屈服，則螺紋不會(huì)咬死；第二次計(jì)算，材料定義為理想彈塑性材料，理想彈塑性材料會(huì)使熱電偶和座套的接觸壓力小于實(shí)際情況，此次計(jì)算評(píng)定熱電偶和座套的接觸壓力，只要此時(shí)接觸壓力大于密封比壓，則不會(huì)發(fā)生泄漏。

圖5可以看出，彈性計(jì)算時(shí)，螺紋處最大等效應(yīng)力為280MPa，小于P91材料在350℃的屈服強(qiáng)度377MPa。螺紋局部發(fā)生屈服并不能判定螺紋一定會(huì)發(fā)生咬死，但如果計(jì)算確認(rèn)在螺紋接觸區(qū)域未發(fā)生屈服，則可斷定在此計(jì)算工況下正確安裝的螺紋不會(huì)咬死。

圖6中熱電偶的接觸壓力269MPa，大于預(yù)緊狀態(tài)不銹鋼墊片的密封比壓179MPa及工作狀態(tài)的密封比壓195MPa，因此不會(huì)發(fā)生泄露問題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1冷態(tài)水壓試驗(yàn)

筆者對(duì)活套式螺紋連接熱電偶進(jìn)行冷態(tài)水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力為70MPa（按照標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》[4]，15MPa、350℃的設(shè)計(jì)壓力管道的水壓試驗(yàn)壓力只需要23.5MPa，遠(yuǎn)小于70MPa），保壓時(shí)間為5min，試驗(yàn)儀表采用0.1%精度的壓力變送器。如圖7所示。

圖7為試驗(yàn)過程中的P-T曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為試驗(yàn)壓力值。筆者分別進(jìn)行了35MPa和70MPa的水壓試驗(yàn)。從右圖可以看出，試驗(yàn)裝置在514s左右升壓至70MPa，隨后持續(xù)保壓了5min，保壓過程中壓力穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)壓力值下降，熱電偶結(jié)構(gòu)未發(fā)生泄漏。試驗(yàn)結(jié)果證明：自密封結(jié)構(gòu)的熱電偶能夠滿足70MPa冷態(tài)水壓試驗(yàn)要求。

3.2熱態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的熱態(tài)性能，本文利用高壓釜對(duì)該結(jié)構(gòu)熱電偶進(jìn)行了熱態(tài)性能試驗(yàn)。如圖8圖9所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)升溫升壓以及降溫降壓過程中，升溫速率為2.28℃/min，熱電偶密封結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生泄露。當(dāng)試驗(yàn)到達(dá)熱態(tài)工況時(shí)，穩(wěn)定25min后，關(guān)閉高壓釜電源，實(shí)施自然冷卻降溫，降溫速率為0.64℃/min，熱電偶密封結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生泄露。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的熱電偶密封結(jié)構(gòu)，利用不同材質(zhì)的膨脹系數(shù)實(shí)現(xiàn)了自緊式密封，計(jì)算分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)適用于工作壓力15MPa，工作溫度350℃條件下的溫度測(cè)量；冷態(tài)水壓試驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠承受70MPa的靜壓，熱態(tài)試驗(yàn)表明在15MPa，344℃條件下，升溫速率不超過2.28℃/min，降溫速率不超過0.64℃/min的情況下，熱電偶密封結(jié)構(gòu)能夠不會(huì)發(fā)生泄漏。該結(jié)構(gòu)不需要使用保護(hù)護(hù)套，熱電偶可直接與管道內(nèi)介質(zhì)接觸，隨著保護(hù)管外徑的減小，其壁厚將減薄，有利于提高熱響應(yīng)時(shí)間，減小溫度測(cè)量誤差。

本文設(shè)計(jì)的熱電偶密封結(jié)構(gòu)，在高壓以及高溫高壓管道測(cè)溫領(lǐng)域具有密封性好、響應(yīng)快、測(cè)量誤差小等優(yōu)點(diǎn)。未來?xiàng)l件成熟后可以在核電廠、石油化工等高溫高壓管道行業(yè)推廣應(yīng)用。

[1]HG/T20507．自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定[M]．北京：全國(guó)化工工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心,2001：47-50．

[2]GB150．3． 壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)[M]．北京：全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),2011：192-193．

[3]ASME第II卷D篇材料性能[M]．北京：中國(guó)石化出版社,2010．

[4]GB 50235．工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范[M]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2010：51．

The Analysis and Research on New Thermocouple Seal Structure Under High Temperature and Pressure Conditions

LiuYan,Shi Shaobo,Ye Jingsong,Wang Yanzhi
（China Nuclear Power Operation Technology Corporation, LTD. Wuhan 430223 Chinga）

Thermocouples used in high temperature and pressure are commonly using the protective seat, the seat is very thick that the response speed and the temperature measurement accuracy is greatly reduced. This paper presents a latemodel self-tight thermocouple structure for high-temperature and high-pressure pipeline, this structure don’t require the protective sheath, and the thermocouple directly contacts with the media in the pipeline, which will improve the response speed and reduce measurement error. In order to verify the reasonableness of this structure, the finite element method was used to analyze the structure sealing and thermal stress, the hydrostatic test was taken for testing the structure. The calculation results indicate that at least the structure can bear 15MPa, 350℃condition without leakage and thread galling problems. Furthermore, the hydrostatic test shows that the structure can withstand the pressure of 70MPa and the thermal state test shows that the structure also works well under the condition of 15MPa, 344℃.

high temperature and pressure,thermocouple,thermal stress,Self-tight sealing

TL332

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.021

2014-4-1

劉妍1982—，女，碩士，工程師，主要研究熱工測(cè)量與過程控制。