火力發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響應特性。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，華東地區大型火電機組熱電偶溫度袋斷裂、泄漏時有發生，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裂紋，大量蒸汽向外噴出。停機停爐后解體檢查，發現裂紋發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)檢修過程中發現有一斷裂溫度袋被擋在燃氣輪機燃氣入口濾網處，現場檢查發現，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)汽機調節級溫度袋泄漏，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，發現左側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。事后檢查發現，焊縫存在大面積未熔合區。

(6) 2008-03-12，某電廠2號機組(600MW)大修，高壓缸解體發現，爐側調節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。

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，應力超過極限；

(2) 溫度袋本身的加工缺陷，導致應力集中，容易造成斷裂；

(3) 管道振動過大，造成溫度袋疲勞損壞；

(4) 流體流經溫度袋時，誘發溫度袋振動，即溫度袋固有頻率和流體漩渦脫落頻率比較接近產生共振現象。這種共振現象會導致溫度袋損壞速度加快，以致斷裂。

在實際工作中，經常發現同一批次、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就發生斷裂。如某電廠2臺600MW機組自2000年投產以來，2號機組溫度袋已發生2次斷裂，而較早投產的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。當產生共振時，溫度袋會受到周期性的交變應力。如果溫度袋長期承受很強的交變應力，在某些應力集中的部位會出現裂紋，在高溫蒸汽的沖刷下就會發生泄漏、斷裂。

3 共振機理

流體誘發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生漩渦脫落。當漩渦從物體的兩側周期交替脫離時，便在物體上產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，會產生以下現象：

(1) 出現“拍”的現象。漩渦強度呈現周期性，時高時低；尾流沿跨長的相關性增大、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，而是保持與結構頻率相等，稱為頻率鎖定，直到流速很大使得兩者的頻率相離較遠時，主導頻率才發生變化。

(3) 失諧。由于非線性的耦合作用，最大的穩態振動振幅不是發生在漩渦頻率與結構固有頻率相等處，而是在頻率鎖定段的中部。

因此，為了避免共振現象的發生，溫度袋的設計應滿足如下關系式：

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

一般來說，流體撞擊產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，美國機械工程師協會標準(ASME)規定，漩渦脫落頻率和溫度袋固有頻率的比值應小于0.8。

如果不能滿足式(1)要求，就要采取措施，避免產生共振現象。

4 防止溫度袋斷裂措施

針對以上理論分析和實踐經驗，為提高和改善溫度袋的安全可靠性，結合現場實際，應采取如下防范措施。

(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，其緊靠壁面的層流底層的厚度很小，因此在對紊流狀態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。

(3) 改變橫截面形狀，將其表面加工成流線型，使流體不產生漩渦脫落現象。

(4) 嚴格控制檢修質量，做好溫度袋管材的檢驗，結合機組大修做好焊口探傷檢查，嚴防焊口裂縫、斷裂等異常發生。

1 白萊文斯 RD. 流體誘發振動, 北京: 機械工業出版社, 1983