火力发电厂热工温度袋断裂原因分析

高天云

（华东电力试验研究院有限公司，上海 200437）

大型火电机组常用热电偶监测高温、高压蒸汽的温度。这种高温高压蒸汽具有很高的流速，以亚临界机组为例，其压力为18MPa，温度540℃，流速可达40m/s～60m/s，因此必须有足够强度的温度袋对热电偶进行保护。一般来说，温度袋壁厚的增加能提高其应力强度，但是壁厚的增加会造成热电偶热惰性的增加，降低了热电偶的动态响应特性。所以，将温度袋做成锥形，端部璧薄而根部壁厚，以增强其整体强度，如图1所示。

近年来，华东地区大型火电机组热电偶温度袋断裂、泄漏时有发生，威胁到机组的安全运行。

1 温度袋断裂案例

(1) 2000-09-27，某自备电厂2号炉乙一级减温器出口热电偶温度套管出现裂纹，大量蒸汽向外喷出。停机停炉后解体检查，发现裂纹发生在锥体与进刀连接处，裂纹已占整个圆周的70%。

(2) 2001年5月，某自备电厂在0号燃气轮机(100

MW)检修过程中发现有一断裂温度袋被挡在燃气轮机燃气入口滤网处，现场检查发现，该断裂温度袋与高炉煤气管道上一断裂温度袋断口完全吻合。

(3) 2005-06-05，某电厂1号机组(125MW)汽机调节级温度袋泄漏，急停抢修。

(4) 2005-08-27，某电厂1号机组(300MW)，因主蒸汽温度测点温度袋焊口泄漏，急停抢修。

(5) 2006-07-25，某电厂2号机组(600MW)正常运行过程中，发现左侧高压主汽门进汽管道性能试验用温度测点温度袋焊口突然开裂，大量蒸汽冲出，立即紧急停机停炉抢修。事后检查发现，焊缝存在大面积未熔合区。

(6) 2008-03-12，某电厂2号机组(600MW)大修，高压缸解体发现，炉侧调节级蒸汽测温元件温度袋下半部断裂，掉落部分卡在第一级静叶进汽侧。

2 断裂原因分析

通过对断裂温度袋原因的归类分析，大致有：

(1) 温度袋受流体冲击，载负过大，应力超过极限；

(2) 温度袋本身的加工缺陷，导致应力集中，容易造成断裂；

(3) 管道振动过大，造成温度袋疲劳损坏；

(4) 流体流经温度袋时，诱发温度袋振动，即温度袋固有频率和流体漩涡脱落频率比较接近产生共振现象。这种共振现象会导致温度袋损坏速度加快，以致断裂。

在实际工作中，经常发现同一批次、同一尺寸、同样插入深度的温度袋，某一根可能运行6～10年甚至更长时间也不会损坏，而另一根可能在很短时间内就发生断裂。如某电厂2台600MW机组自2000年投产以来，2号机组温度袋已发生2次断裂，而较早投产的1号机组则安然无恙。2号机组温度袋断裂照片见图2。

实践证明，共振是造成温度袋断裂的主要原因。当产生共振时，温度袋会受到周期性的交变应力。如果温度袋长期承受很强的交变应力，在某些应力集中的部位会出现裂纹，在高温蒸汽的冲刷下就会发生泄漏、断裂。

3 共振机理

流体诱发振动的机理大体可分为漩涡脱落、湍流颤振、流体弹性扰动。其中漩涡脱落所导致的振动(涡致振动)是研究得最早和最完善的一种机理。

在亚音速横向流中，任何非流线型尾部如果有足够的拖迹边缘都会产生漩涡脱落。当漩涡从物体的两侧周期交替脱离时，便在物体上产生周期的升力和阻力。这种流线谱的变化将引起压力分布变化，从而导致作用在物体上的流体压力大小与方向的变化，最后引起物体振动。

通常由漩涡脱落引起的温度袋振动的力量很小，可以忽略不计。但文献[1]指出，当漩涡脱落的频率与温度袋的固有频率较接近时，会产生以下现象：

(1) 出现“拍”的现象。漩涡强度呈现周期性，时高时低；尾流沿跨长的相关性增大、阻力增加；导致横向升力增加达2～3倍。

(2) 频率锁定。当漩涡主导频率很接近温度袋的固有频率时，漩涡频率不再随来流速度增加而升高，而是保持与结构频率相等，称为频率锁定，直到流速很大使得两者的频率相离较远时，主导频率才发生变化。

(3) 失谐。由于非线性的耦合作用，最大的稳态振动振幅不是发生在漩涡频率与结构固有频率相等处，而是在频率锁定段的中部。

因此，为了避免共振现象的发生，温度袋的设计应满足如下关系式：

其中：fs—漩涡脱落频率(流体撞击产生的激励频率）；f1—温度袋的固有频率。

一般来说，流体撞击产生的激励频率要远低于温度袋的固有频率，故在无其他激励情况下，美国机械工程师协会标准(ASME)规定，漩涡脱落频率和温度袋固有频率的比值应小于0.8。

如果不能满足式(1)要求，就要采取措施，避免产生共振现象。

4 防止温度袋断裂措施

针对以上理论分析和实践经验，为提高和改善温度袋的安全可靠性，结合现场实际，应采取如下防范措施。

(1) 严格控制温度袋的插入深度。管道中流体的温度场分布曲线如图3所示、由于大型机组主蒸汽温度流速均已达到紊流状态，其紧靠壁面的层流底层的厚度很小，因此在对紊流状态管道中流体测量温度时，只需将温度袋插入到流体的等温区就能准确地测量流体温度，而无需插到管道的中心点。这样就大大缩短了温度袋悬臂的长度，可有效减小其端点的振幅。

(2) 在不影响测温响应时间的情况下，增大温度袋外径可以提高截面惯性矩，错开共振危险区。

(3) 改变横截面形状，将其表面加工成流线型，使流体不产生漩涡脱落现象。

(4) 严格控制检修质量，做好温度袋管材的检验，结合机组大修做好焊口探伤检查，严防焊口裂缝、断裂等异常发生。

1 白莱文斯 RD. 流体诱发振动, 北京: 机械工业出版社, 1983