火力發(fā)電廠熱工溫度袋斷裂原因分析

高天云

（華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437）

大型火電機組常用熱電偶監(jiān)測高溫、高壓蒸汽的溫度。這種高溫高壓蒸汽具有很高的流速，以亞臨界機組為例，其壓力為18MPa，溫度540℃，流速可達40m/s～60m/s，因此必須有足夠強度的溫度袋對熱電偶進行保護。一般來說，溫度袋壁厚的增加能提高其應(yīng)力強度，但是壁厚的增加會造成熱電偶熱惰性的增加，降低了熱電偶的動態(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，以增強其整體強度，如圖1所示。

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

1 溫度袋斷裂案例

(1) 2000-09-27，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) 2001年5月，某自備電廠在0號燃氣輪機(100

MW)檢修過程中發(fā)現(xiàn)有一斷裂溫度袋被擋在燃氣輪機燃氣入口濾網(wǎng)處，現(xiàn)場檢查發(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號機組(125MW)汽機調(diào)節(jié)級溫度袋泄漏，急停搶修。

(4) 2005-08-27，某電廠1號機組(300MW)，因主蒸汽溫度測點溫度袋焊口泄漏，急停搶修。

(5) 2006-07-25，某電廠2號機組(600MW)正常運行過程中，發(fā)現(xiàn)左側(cè)高壓主汽門進汽管道性能試驗用溫度測點溫度袋焊口突然開裂，大量蒸汽沖出，立即緊急停機停爐搶修。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號機組(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袋下半部斷裂，掉落部分卡在第一級靜葉進汽側(cè)。

2 斷裂原因分析

通過對斷裂溫度袋原因的歸類分析，大致有：

(1) 溫度袋受流體沖擊，載負過大，應(yīng)力超過極限；

(2) 溫度袋本身的加工缺陷，導致應(yīng)力集中，容易造成斷裂；

(3) 管道振動過大，造成溫度袋疲勞損壞；

(4) 流體流經(jīng)溫度袋時，誘發(fā)溫度袋振動，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)象會導致溫度袋損壞速度加快，以致斷裂。

在實際工作中，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。如某電廠2臺600MW機組自2000年投產(chǎn)以來，2號機組溫度袋已發(fā)生2次斷裂，而較早投產(chǎn)的1號機組則安然無恙。2號機組溫度袋斷裂照片見圖2。

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

3 共振機理

流體誘發(fā)振動的機理大體可分為漩渦脫落、湍流顫振、流體彈性擾動。其中漩渦脫落所導致的振動(渦致振動)是研究得最早和最完善的一種機理。

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(chǎn)生漩渦脫落。當漩渦從物體的兩側(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。

通常由漩渦脫落引起的溫度袋振動的力量很小，可以忽略不計。但文獻[1]指出，當漩渦脫落的頻率與溫度袋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。漩渦強度呈現(xiàn)周期性，時高時低；尾流沿跨長的相關(guān)性增大、阻力增加；導致橫向升力增加達2～3倍。

(2) 頻率鎖定。當漩渦主導頻率很接近溫度袋的固有頻率時，漩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)生的激勵頻率）；f1—溫度袋的固有頻率。

一般來說，流體撞擊產(chǎn)生的激勵頻率要遠低于溫度袋的固有頻率，故在無其他激勵情況下，美國機械工程師協(xié)會標準(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

針對以上理論分析和實踐經(jīng)驗，為提高和改善溫度袋的安全可靠性，結(jié)合現(xiàn)場實際，應(yīng)采取如下防范措施。

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

(2) 在不影響測溫響應(yīng)時間的情況下，增大溫度袋外徑可以提高截面慣性矩，錯開共振危險區(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) 嚴格控制檢修質(zhì)量，做好溫度袋管材的檢驗，結(jié)合機組大修做好焊口探傷檢查，嚴防焊口裂縫、斷裂等異常發(fā)生。

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