李文忠

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

某企業(yè)有一支高壓過熱蒸汽熱電偶套管自首次安裝投用以來，頻繁出現(xiàn)與溫度套管相關(guān)的故障，現(xiàn)將對該典型故障的綜合判斷思路及處理過程進(jìn)行梳理，并分析探究相關(guān)的原因。

1 溫度指示偏低故障的排查

該熱電偶自首次安裝投用以來，溫度指示嚴(yán)重偏低，針對該故障進(jìn)行以下幾方面排查：

1)復(fù)核該熱電偶規(guī)格書中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。關(guān)鍵數(shù)據(jù)有： 介質(zhì)為過熱蒸汽，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，插入深度為300 mm，熱電偶分度號K型，溫度套管結(jié)構(gòu)形式為固定法蘭錐形整體鉆孔(φ28 mm/φ23 mm/φ8 mm)，壓力等級為CL2500，材質(zhì)為12Cr1MoVG，介質(zhì)流速為50 m/s。

2)DCS組態(tài)數(shù)據(jù)復(fù)核。檢查DCS內(nèi)部組態(tài)，熱電偶分度號為K型，組態(tài)正確。

3)溫度補(bǔ)償電纜型號及接線復(fù)核。檢查來自現(xiàn)場的電纜為K型溫度補(bǔ)償電纜，室內(nèi)接線正、負(fù)極性正確。

4)現(xiàn)場實(shí)際安裝情況檢查?，F(xiàn)場安裝情況如圖1所示，溫度套管管嘴法蘭面與管道上表面高距離L0為350 mm左右，L為插入深度，工藝管道內(nèi)/外徑數(shù)據(jù)為221 mm/273 mm。

參照圖1，對L0與L實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以確認(rèn)插入深度為300 mm的熱電偶實(shí)際未插入到管道內(nèi)部，仍在管嘴內(nèi)，是造成溫度檢測指示偏低的主要原因。

為解決插入深度過短問題，技術(shù)人員未經(jīng)專業(yè)技術(shù)評審就確定了簡單修改方案： 訂購插入深度為460 mm的溫度套管并且把材質(zhì)由原設(shè)計12Cr1MoVG改為了常用的316SS材質(zhì)，結(jié)構(gòu)形式由原設(shè)計錐形整體鉆孔(φ28 mm/φ23 mm/φ8 mm)更改為直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm。

5)溫度指示偏低故障排查處理暴露出的典型問題如下：

a)設(shè)計階段。儀表與配管專業(yè)之間資料提交銜接存在問題，導(dǎo)致儀表專業(yè)設(shè)計的溫度套管插入深度與配管專業(yè)設(shè)計的管嘴高度不匹配。

b)施工階段。配管專業(yè)施工單位可能存在未按圖紙施工問題，導(dǎo)致設(shè)計管嘴高度與實(shí)際施工管嘴高度不符。

c)三查四定階段。未對插入深度與實(shí)際管嘴高度匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，只是機(jī)械地完成溫度套管安裝。目前溫度套管插入深度與實(shí)際管嘴高度是否匹配問題已成為工程建設(shè)“三查四定”階段的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

d)運(yùn)行維護(hù)階段。變更管理存在疏漏，材料、結(jié)構(gòu)型式等關(guān)鍵內(nèi)容的變更隨意且未執(zhí)行嚴(yán)格審批流程。

2 首次溫度套管泄漏故障的排查

該熱電偶的溫度套管更換為插入深度460 mm運(yùn)行32個月后，套管出現(xiàn)泄漏，且檢查出根部出現(xiàn)裂紋。又更換為插入深度為390 mm溫度套管，材質(zhì)仍為316SS，直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm。當(dāng)首次溫度套管出現(xiàn)泄漏故障時，套管根部裂紋泄漏故障未引起足夠重視，未進(jìn)行根本原因分析，單純機(jī)械地進(jìn)行更換。

3 第二次溫度套管泄漏故障的排查

新更換的溫度套管運(yùn)行僅35天后再次出現(xiàn)套管泄漏，因此需要從根本上分析泄漏原因。

3.1 材質(zhì)變更導(dǎo)致根部裂紋產(chǎn)生的可能性分析

3.1.112Cr1MoVG與316SS的化學(xué)成分

材質(zhì)12Cr1MoVG與316SS的化學(xué)成分對比見表1所列。

表1 12Cr1MoVG與316SS的化學(xué)成分對比 %

由表1可以看出，12Cr1MoVG為低合金鉻鉬鋼，316不銹鋼為高合金鋼，高合金鋼的穩(wěn)定性能會更好。

合金鋼中w(Cr)增加，氧化層生成變慢，能進(jìn)一步提高抗高溫蒸汽氧化性能；Ni元素可以改善鋼的韌性，提高鋼的綜合機(jī)械性能和加工性能；Mo元素可以增強(qiáng)鋼的抗氧化性和高溫強(qiáng)度；少量V元素的加入可以進(jìn)一步增強(qiáng)12Cr1MoVG的熱強(qiáng)性；C元素可以提高材料的高溫強(qiáng)度；316材質(zhì)不銹鋼使用于溫度高于525 ℃的場合時，鋼中w(C)應(yīng)不小于0.04%。

3.1.212Cr1MoVG與316SS的力學(xué)性能

材質(zhì)12Cr1MoVG與316SS的力學(xué)性能對比見表2所列。

表2 12Cr1MoVG與316SS的力學(xué)性能對比

由表2可以看出，兩種材料的抗拉強(qiáng)度相近；12Cr1MoVG的高溫規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度是316不銹鋼的1.6～1.7倍。

3.1.312Cr1MoVG與316SS的許用應(yīng)力

材質(zhì)12Cr1MoVG與316SS的許用應(yīng)力對比見表3所列。

表3 12Cr1MoVG與316SS的許用應(yīng)力對比 MPa

由表3可以看出，兩種材料在高溫狀況下的許用應(yīng)力接近。

綜合上述化學(xué)成分、力學(xué)性能、許用應(yīng)力等對比數(shù)據(jù)并結(jié)合操作溫度為535 ℃的應(yīng)用情況，可以確定316SS不銹鋼材質(zhì)適用于該工況，即將原設(shè)計套管材質(zhì)12Cr1MoVG修改為316SS不是導(dǎo)致根部裂紋并產(chǎn)生泄漏的根本原因，但是采用316H材質(zhì)的不銹鋼比316SS不銹鋼更為合理。

3.2 溫度套管共振現(xiàn)象導(dǎo)致根部裂紋產(chǎn)生的可能性分析

溫度套管插入到流體中時，將對流體的流動產(chǎn)生阻礙，進(jìn)而在溫度套管的兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，稱之為卡門旋渦。該旋渦在套管上產(chǎn)生兩種力，分別是橫向振動升力和縱向振動阻力。橫向振動升力的頻率為fs，縱向振動阻力的頻率為2fs。當(dāng)fS或者2fS與溫度套管自然頻率fa接近時，共振現(xiàn)象隨之發(fā)生。

3.2.1溫度套管自然頻率的簡算

溫度套管自然頻率的計算如式(1)所示：

(1)

3.2.2溫度套管旋渦脫落頻率的簡算

溫度套管旋渦脫落頻率計算如式(2)所示：

(2)

式中：Ns——斯特羅哈數(shù)，與介質(zhì)雷諾數(shù)Re有關(guān)，簡算時可以定為0.22；v——介質(zhì)流速，m/s。

3.2.3溫度套管頻率限制的合格判據(jù)

縱向共振發(fā)生時的流速為橫向共振發(fā)生時流速的50%，因此縱向共振更容易發(fā)生?；诖?，溫度套管頻率限制的合格判據(jù)為：fs<0.4fa或0.6fa

3.2.4首次出現(xiàn)泄漏的溫度套管頻率計算

首次出現(xiàn)泄漏的溫度套管參數(shù)： 材質(zhì)316SS，直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm，插入深度為460 mm，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，介質(zhì)流速為50 m/s，彈性模量為1.57×105MPa

根據(jù)式(1)計算該溫度套管的fa=82.7 Hz，根據(jù)式(2)計算該溫度套管的fs=407.4 Hz。fs/fa=4.92,根據(jù)頻率限制的合格標(biāo)準(zhǔn)判定為嚴(yán)重不合格。

3.2.5第二次出現(xiàn)泄漏后的溫度套管頻率計算

第二次出現(xiàn)泄漏的溫度套管各參數(shù)： 材質(zhì)為316SS，直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm，插入深度為390 mm，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，介質(zhì)流速為50 m/s，彈性模量為1.57×105MPa。

根據(jù)式(1)計算該溫度套管的fa=115 Hz，根據(jù)式(2)計算該溫度套管的fs=407.4 Hz。fs/fa=3.54,根據(jù)頻率限制的合格標(biāo)準(zhǔn)判定為嚴(yán)重不合格。

3.2.6參照原設(shè)計材質(zhì)并修改關(guān)鍵數(shù)據(jù)的溫度套管頻率計算

參照原設(shè)計規(guī)格書，將材質(zhì)316SS修改為12Cr1MoVG；將直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm修改為錐形整體鉆孔φ30 mm/φ24 mm/φ7 mm；根據(jù)DL 5190.4—2019《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范第4部分： 熱工儀表及控制裝置》中規(guī)定：“高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑不大于250 mm時，溫度套管插入深度宜為70 mm”，計算并修改插入深度為440 mm，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，介質(zhì)流速為50 m/s，彈性模量為23.9×106

根據(jù)式(1)計算fa=92.4 Hz,根據(jù)式(2)計算fs=458.3 Hz。fs/fa=4.96,根據(jù)頻率限制的合格標(biāo)準(zhǔn)判定為嚴(yán)重不合格。

綜上所述，可以確定： 溫度套管頻率限制嚴(yán)重不合格是導(dǎo)致該溫度套管共振現(xiàn)象發(fā)生進(jìn)而產(chǎn)生根部裂紋的根本原因。根據(jù)套管自然頻率的計算過程可以確定，縮短套管插入深度可以有效改善不合格頻率限制。但現(xiàn)實(shí)的情況是： 高溫高壓介質(zhì)蒸汽管道完成施工并投入運(yùn)行后，根本不具備修改并縮短溫度管嘴高度的條件，因此對該套管根部裂紋導(dǎo)致泄漏問題的解決陷入困境。

4 解決方案

為徹底解決因頻率限制不合格而導(dǎo)致套管根部出現(xiàn)兩次裂紋并嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)的高風(fēng)險故障，某溫度儀表制造廠商汲取國外同類問題的成功解決經(jīng)驗(yàn)，提出了采用螺旋形溫度套管的新型抗振解決方案。

4.1 同種工況下不同結(jié)構(gòu)溫度套管的對比

國外相關(guān)研究資料表明，螺旋結(jié)構(gòu)的溫度套管能夠避免形成明顯的卡門旋渦，能夠減小并分散旋渦的振幅，同等條件下可減少90%以上的幅值，從而大幅降低溫度套管共振現(xiàn)象發(fā)生的可能性。同種工況下不同結(jié)構(gòu)溫度套管產(chǎn)生的卡門旋渦對比如圖2所示。

圖2 同種工況下不同結(jié)構(gòu)溫度套管產(chǎn)生的卡門旋渦對比

4.2 新型螺旋抗振溫度套管外形結(jié)構(gòu)及應(yīng)用效果

新型螺旋抗振溫度套管外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型螺旋抗振溫度套管外形結(jié)構(gòu)示意

自2019年10月更換為新型螺旋抗振溫度套管后，連續(xù)運(yùn)行至今已達(dá)27個月之久，未再產(chǎn)生套管根部裂紋并導(dǎo)致泄漏的故障。至此，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)的高風(fēng)險故障得到徹底解決。

5 結(jié)束語

通過對典型的溫度套管故障處理過程的梳理，綜合判斷、分析、計算和比較，給出了解決處理該類型故障的思路和方法。通過選擇新型螺旋結(jié)構(gòu)抗振套管，化“被動”的溫度套管頻率限制計算為“主動”的避免形成明顯的卡門旋渦，減小分散旋渦的振幅，從而大幅降低了溫度套管共振現(xiàn)象發(fā)生的可能性。