溫度計套管強度影響因素的分析

□ 張雨果 □ 石泰琿 □ 施勇希 □ 趙登山

中國核動力研究設(shè)計院一所 成都 610005

1 分析背景

接觸式溫度計測溫可靠,結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,是工程過程系統(tǒng)的重要組成部分,在核電、石化、醫(yī)藥等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。對于設(shè)計、安裝而言,通常沿用美國機械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC 19.3 TW—2010[2],溫度計套管應(yīng)滿足激勵主導(dǎo)頻率和固有頻率比值小于0.8的要求,作為溫度計套管是否會發(fā)生共振破壞的依據(jù)[3-6]。但是,在溫度計的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)運行時對管道沖擊,溫度計套管在管道流體的不穩(wěn)定沖擊下,發(fā)生斷裂的情況屢見不鮮,部位通常為溫度計套管的根部[7-8]。因此,溫度計套管的正確設(shè)計、選型是非常重要的。

筆者以溫度計套管為研究對象,從溫度計套管的焊縫結(jié)構(gòu)、流場速率、長度等方面著手,研究這些因素對溫度計套管結(jié)構(gòu)強度的影響。首先選取同種尺寸、不同焊接工藝的溫度計套管,通過單軸拉伸試驗對最大拉伸強度進(jìn)行比較。然后選取不同的介質(zhì)流速,應(yīng)用ANSYS Workbench有限元軟件計算、比較不同流速對溫度計套管根部應(yīng)力的影響。最后對套管長度和介質(zhì)流速兩個因素共同引起漩渦脫落,造成溫度計套管疲勞斷裂的后果進(jìn)行了評估。研究結(jié)果為溫度計的選型、安裝和使用提供了依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

2 單軸拉伸試驗

套管式溫度計如圖1所示。選用相同材料、相同尺寸,不同套管焊接工藝的兩種套管式溫度計,對溫度計套管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗,比較不同焊縫質(zhì)量溫度計套管的拉伸強度。試樣1的套管根部焊縫較厚,焊縫軸向?qū)挾燃s2.74 mm,焊縫徑向高度2.4 mm,焊接采用金屬套環(huán)熔合完整,使六角接頭與感溫護套形成平滑過渡。試樣2的套管根部焊縫較薄,焊縫軸向?qū)挾燃s1.9 mm,焊縫徑向高度1.4 mm,焊接采用金屬套環(huán)前端局部熔化,保留較為明顯的臺階,形成應(yīng)力集中區(qū)域。進(jìn)行單軸拉伸試驗的溫度計套管試樣如圖2所示。對兩種溫度計套管進(jìn)行單軸拉伸試驗,采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸方式,拉伸速率小于500 mm/min。試驗裝置為SANS CMT2000高低溫萬能材料試驗機。

單軸拉伸試驗溫度計套管斷口如圖3所示。從斷裂形態(tài)和斷裂部位來看,兩種試樣的斷裂位置均在套管和溫度計安裝接頭的焊接位置。其中,焊縫較厚的溫度計套管在偏向于套管根部斷裂,而焊縫較薄的溫度計套管在偏向于焊縫位置斷裂。定量比較兩者的最大拉伸強度,焊縫較厚的溫度計套管,最大拉伸強度為 19.0 kN,焊縫較薄的溫度計套管,最大拉伸強度為13.7 kN,降低約28%。由此可見,焊接質(zhì)量對保證溫度計套管的強度至關(guān)重要。

▲圖1 套管式溫度計▲圖2 單軸拉伸試驗溫度計套管試樣

▲圖3 單軸拉伸試驗溫度計套管斷口

3 應(yīng)力分析

以焊縫較厚的溫度計套管試樣1為分析對象,應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行單向流固耦合計算,比較溫度計套管在160 m/s、150 m/s、140 m/s、130 m/s、60 m/s流體流速下的應(yīng)力分布和應(yīng)力最大值。溫度計套管材料為0Cr18Ni9鋼,彈性模量為172 GPa,泊松比為0.3,密度為7 900 kg/m3[9]。溫度計套管采用圓弧過渡,避免應(yīng)力集中。溫度計套管模型如圖4所示。

▲圖4 溫度計套管模型

流體流速為160 m/s、150 m/s、140 m/s、130 m/s、60 m/s,溫度為300 ℃,壓力為3 MPa,運動黏性系數(shù)為1.22×10-7m2/s,質(zhì)量密度為726.7 kg/m3。流體域為φ200 mm管道內(nèi)部。計算采用單向流固耦合,類型為穩(wěn)態(tài),湍流脈動采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,計算總時間為1 s,管道上游為入口,下游為出口。采用高階求解模式,收斂殘差為110-6,計算流體對溫度計套管的壓力作用。采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力計算,在溫度計套管的壓力面讀取對應(yīng)于流體域的壓力載荷,實現(xiàn)流體數(shù)據(jù)向結(jié)構(gòu)傳遞,最終得到溫度計套管的應(yīng)力。

通過計算,得到流體流速為160 m/s時溫度計套管的應(yīng)力分布云圖,如圖5所示。不同流體流速下溫度計套管應(yīng)力最大值如圖6所示。由圖5可知,在流體流速為160 m/s時,溫度計套管應(yīng)力集中在接頭連接的焊縫處,應(yīng)力最大值為425 MPa。由圖6可知,在各流體流速下,溫度計套管應(yīng)力最大值趨勢一致,這是懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的。另一方面,應(yīng)力最大值和流體流速近似線性遞增關(guān)系,在流體流速緩慢加快的情況下,應(yīng)力最大值急劇增大。綜合試驗和模擬結(jié)果,焊縫處為強度的薄弱點。

▲圖5 溫度計套管應(yīng)力分布云圖

4 漩渦脫落激勵共振分析

引起溫度計套管斷裂的疲勞可以分為溫度交變熱應(yīng)力疲勞和流致振動應(yīng)力疲勞。流致振動作為一種復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象,按誘發(fā)因素可以細(xì)分為漩渦脫落、湍流抖振、流體彈性激振。通過工礦行業(yè)調(diào)研與作用原理分析,溫度交變熱應(yīng)力疲勞、湍流抖振、流體彈性激振等因素與漩渦脫落相比,不在同一量級,為次要因素。因此,筆者重點圍繞漩渦脫落開展理論計算和仿真驗證。

▲圖6 不同流體流速下溫度計套管應(yīng)力最大值

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對不同長度的溫度計套管進(jìn)行模態(tài)分析,得到溫度計套管固有頻率與長度的關(guān)系。溫度計套管長度分別設(shè)置為50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm、175 mm、200 mm。有限元模型為實體單元,采用分塊蘭喬斯算法提取一階固有頻率。溫度計套管固有頻率與長度關(guān)系如圖7所示。由圖7可知,溫度計套管長度在100～200 mm時,固有頻率隨長度的增大而緩慢降低。溫度計套管長度小于75 mm時,固有頻率隨長度的減小而顯著提高。由此可見,溫度計套管長度在設(shè)計時可以避開漩渦脫落頻率,避免共振現(xiàn)象產(chǎn)生。

▲圖7 溫度計套管固有頻率與長度關(guān)系

蒸汽介質(zhì)的雷諾數(shù)增大到一定值后,漩渦會從圓柱表面脫落,在尾跡中形成渦脫。以φ219 mm×9.5 mm管道為例,蒸汽介質(zhì)壓力為3 MPa,溫度為300 ℃,最高流體流速為60 m/s,根據(jù)漩渦脫落理論公式,有:

fw=Stv/d

(1)

式中:fw為漩渦脫落頻率;St為施特魯哈爾數(shù),在工程中可視為常數(shù),值為0.22;v為介質(zhì)平均流速,取10 mm/s、20 mm/s、40 mm/s、60 mm/s;d為溫度計套管直徑,值為10 mm。

由式(1)計算不同流體流速下的理論漩渦脫落頻率[10],計算結(jié)果見表1。由表1可知,漩渦脫落頻率與流體流速近似呈線性關(guān)系,低流體流速介質(zhì)的漩渦脫落頻率更接近于溫度計套管的固有頻率。為了避免共振,常規(guī)的設(shè)計方法按美國機械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗算,當(dāng)流體漩渦脫落頻率與溫度計套管固有頻率的比值不大于0.8時,滿足振動頻率的要求,可以防止溫度計套管發(fā)生疲勞損壞,延長溫度計套管的使用壽命。

表1 不同流體流速下漩渦脫落頻率計算結(jié)果

5 結(jié)束語

筆者依據(jù)單軸拉伸試驗得出,溫度計套管焊縫工藝不一致時,焊縫較薄的溫度計套管強度大幅低于焊縫較厚的溫度計套管,應(yīng)力集中在焊縫處,破壞方式為沿焊縫處斷開。

對溫度計套管進(jìn)行模態(tài)分析,當(dāng)溫度計套管長度在小于75 mm的范圍內(nèi)變化時,溫度計套管固有頻率受到的影響較大,當(dāng)溫度計套管長度大于100 mm時,溫度計套管固有頻率受到的影響趨于一致,并且緩慢降低。

根據(jù)漩渦脫落理論,分析了不同流體流速對漩渦脫落頻率的影響,得到漩渦脫落頻率與流體流速近似呈線性關(guān)系,溫度計套管固有頻率與漩渦脫落頻率共同決定溫度計套管是否會產(chǎn)生共振。所做分析為溫度計套管設(shè)計時防止疲勞損壞、延長使用壽命提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。