熱電偶套管斷裂的原因分析及預防措施

摘要:熱電偶保護套管在高溫、高壓狀態(tài)下,受到流體的高速沖擊,會出現(xiàn)套管斷裂的現(xiàn)象。分析了用于測量流體溫度的熱電偶套管斷裂的原因,提出了防止熱電偶套管振動斷裂的預防措施.
1引言
      溫度傳感器,如熱電偶或熱電阻,可能用于高溫、高壓及有高速流體沖擊的場合,必須有足夠強度的保護套管保護。保護套管的設(shè)計要考慮它的強度以保證傳感器正常、安全工作,不會彎曲和斷裂。一般來說,保護套管壁厚的增加能提高應力強度,但是壁厚的增加會增加傳感器的熱惰性,即傳感器對溫度反應變慢。所以合理設(shè)計和選擇保護套管具有重要意義。
2熱電偶套管斷裂的原因
      鑒于維護工作中出現(xiàn)的現(xiàn)象,分析有以下幾種原因:
      熱電偶套管受流體沖擊,載荷過大,應力超過極限;熱電偶套管本身的加工缺陷,導致應力集中，容易造成斷裂;管道振動過大,造成熱電偶疲勞損壞;流體流經(jīng)熱電偶套管時,誘發(fā)套管振動,即套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或--致,產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種振動導致熱電偶套管的加速損壞,以致斷裂。
      在實際工作維護中,同一批同-.尺寸同樣插人.深度的套管,某一根可能運行四五年不會損壞，而另一根可能在短期內(nèi)發(fā)生斷裂事故。故應力越限不是主要原因。熱電偶套管在安裝使用前都要進行探傷測試,合格后才可以安裝。所以安裝的熱電偶套管一般不存在裂紋。雖然在熱電偶套管螺口附近有一圓弧過渡段,會造成應力集中,但此點已在套管強度設(shè)計時考慮了。加工缺陷也不是熱電偶套管斷裂的主要原因。管道振動可加速套管內(nèi)熱電偶的損壞,但不是套管斷裂的主要原因。振動過大也排除。
      在實際使用中發(fā)現(xiàn),共振是造成熱電偶套管斷裂的主要原因。當產(chǎn)生共振現(xiàn)象時,套管就會出現(xiàn)周期性的交變應力。如果熱電偶套管長久地承受很強的交變應力,套管某些應力高的部位就會出現(xiàn)裂紋,在蒸汽的沖刷下,套管就會產(chǎn)生斷裂。.
3共振機理
      目前流體誘發(fā)振動機理大體可分為旋渦脫落、湍流顫振,流體彈性擾動。其中旋渦脫落所導致的振動(渦致振動)是人們研究的最早和最完善的一種機理。
      這種機理認為:在亞音速橫向流中,任何非流線型物體尾部如果有足夠的拖跡邊緣都會產(chǎn)生旋渦脫落。當旋渦從物體的兩側(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的變化,從而導致作用在物體上流體壓力的大小與方向的變化，最后引起物體振動0。
      正常情況下,旋渦引起套管振動的力量很小，可以忽略不計。但是，當旋渦脫落的頻率與套管固有頻率相接近時,會產(chǎn)生以下現(xiàn)象:
      出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象。旋渦強度呈現(xiàn)周期性,時高時低;尾流沿跨長的相關(guān)性增大;阻力增加;結(jié)構(gòu)上承受的橫向升力顯著增強,可以提高2~3倍;頻率鎖定一當旋渦主導頻率很接近套管振動頻率時，旋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。直到流速增大到很大數(shù)值,使得上述兩種頻率相離較遠時,主導頻率才變化;失諧一由于非線性的耦合作用，穩(wěn)態(tài)振動振幅不是發(fā)生在旋渦頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相等處,而是在頻率鎖定段的中部[2~3]”。
      當旋渦強度時高時低,套管將承受交變應力，阻力和橫向升力也隨之增強。頻率鎖定和失諧現(xiàn)象說明,不是只有旋渦脫落頻率和套管固有頻率一致時才發(fā)生共振，而是一個范圍。
4振動強度計算
      假定阻尼系數(shù)為0,保護套管受無阻尼的強迫振動。如圖1所示。

      將套管的振動看成是連續(xù)系統(tǒng)的振動,根據(jù)里茨法求套管的自然固有頻率,取基函數(shù)如式(1).(2)所列。

      以上基函數(shù)對于線性變截面懸臂梁，里茨法獲得的固有頻率與正確解的相對誤差僅為0.08%[4]，所以,可以相信,取.上述基函數(shù)里茨法獲得的套管固有頻率與正確值非常接近。因此無須利用其他數(shù)值方法計算,對于上述基函數(shù),有質(zhì)量矩陣系數(shù)，如式(3)~式(5)所列。


      一般來說，流體撞擊產(chǎn)生的激勵頻率(旋渦脫落頻率)要遠低于套管固有頻率，故在無其他激勵情況下,套管符合上式的頻率要求。上式也解釋了頻率鎖定和失諧現(xiàn)象。ASME(美國機械工程師協(xié)會標準)標準中要求,旋渦脫落頻率和套管固有頻率的比值應小于0.8。
      但是,如果計算不能滿足上式的要求,就要采取措施，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
5防止熱電偶套管斷裂的措施
      針對以上的理論分析和實際應用經(jīng)驗,提出以下幾種措施。
a)提高套管阻尼可以降低振動幅值。如圖2所示。

      在保護套管的插入端增加-一個保護圈,其外徑和套管安裝件的外徑相同,起到支撐作用。這樣縮短了懸臂的長度,大大減小了套管尖端的振幅。
b)增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑可以提高截面慣性矩,亦增加了結(jié)構(gòu)的固有頻率,可以錯開共振危險區(qū)。在實際應用中常使用這種方法。在不影響相應時間的情況下,增加套管外徑和壁厚,可以達到很好的效果。
c)安裝位置錯開管道彎道,閥門，節(jié)流孔板附近，以防止速度擾動,引起某一振動。
d)改變橫截面形狀,套管表面可加工成流線型，使流體不產(chǎn)生旋渦脫落現(xiàn)象。
e)減小套管長度能有效提高套管固有頻率，并提高套管強度。此方法也是實際中常用的方法，但縮短多少要看具體情況。當此溫度信號作為控制信號時,縮短的長度是有限的，否則影響測量精度和響應時間,進而影響控制質(zhì)量。但如果此信號只為顯示信號,例如就地雙金屬溫度計等,既不參與控制,可縮短的長度相對可以多一些。
f)在熱電偶套管后安裝旋渦干擾裝置,使脫落旋渦能量分散到更寬的頻帶上,從而降低繞流圓柱體的激振力。但這樣會大大增加成本。
6結(jié)束語
      不難看出,影響套管安全使用的主要原因就是共振問題。針對這一問題，可以采取提高套管阻尼,增加壁厚,縮短套管長度等方法來預防。可以有效減少熱電偶絲及保護套管的損壞。