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(huì )出現套管斷裂的現象。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(dòng)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(chǎng)合,必須有足夠強度的保護套管保護。保護套管的設計要考慮它的強度以保證傳感器正常、安全工作,不會(huì )彎曲和斷裂。一般來(lái)說(shuō),保護套管壁厚的增加能提高應力強度,但是壁厚的增加會(huì )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的現象,分析有以下幾種原因:
      熱電偶套管受流體沖擊,載荷過(guò)大,應力超過(guò)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(dòng)過(guò)大,造成熱電偶疲勞損壞;流體流經(jīng)熱電偶套管時(shí),誘發(fā)套管振動(dòng),即套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或--致,產(chǎn)生共振現象。這種振動(dòng)導致熱電偶套管的加速損壞,以致斷裂。
      在實(shí)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(huì )損壞，而另一根可能在短期內發(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(jìn)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(guò)渡段,會(huì )造成應力集中,但此點(diǎn)已在套管強度設計時(shí)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(dòng)可加速套管內熱電偶的損壞,但不是套管斷裂的主要原因。振動(dòng)過(guò)大也排除。
      在實(shí)際使用中發(fā)現,共振是造成熱電偶套管斷裂的主要原因。當產(chǎn)生共振現象時(shí),套管就會(huì )出現周期性的交變應力。如果熱電偶套管長(cháng)久地承受很強的交變應力,套管某些應力高的部位就會(huì )出現裂紋,在蒸汽的沖刷下,套管就會(huì )產(chǎn)生斷裂。.
3共振機理
      目前流體誘發(fā)振動(dòng)機理大體可分為旋渦脫落、湍流顫振,流體彈性擾動(dòng)。其中旋渦脫落所導致的振動(dòng)(渦致振動(dòng))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(xiàn)型物體尾部如果有足夠的拖跡邊緣都會(huì )產(chǎn)生旋渦脫落。當旋渦從物體的兩側周期交替脫離時(shí),便在物體上產(chǎn)生周期的升力和阻力。這種流線(xiàn)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(dòng)0。
      正常情況下,旋渦引起套管振動(dòng)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(shí),會(huì )產(chǎn)生以下現象:
      出現“拍”的現象。旋渦強度呈現周期性,時(shí)高時(shí)低;尾流沿跨長(cháng)的相關(guān)性增大;阻力增加;結構上承受的橫向升力顯著(zhù)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(dòng)頻率時(shí)，旋渦頻率不再隨來(lái)流速度增加而升高,而是保持與結構頻率相等,稱(chēng)為頻率鎖定。直到流速增大到很大數值,使得上述兩種頻率相離較遠時(shí),主導頻率才變化;失諧一由于非線(xiàn)性的耦合作用，穩態(tài)振動(dòng)振幅不是發(fā)生在旋渦頻率與結構固有頻率相等處,而是在頻率鎖定段的中部[2~3]”。
      當旋渦強度時(shí)高時(shí)低,套管將承受交變應力，阻力和橫向升力也隨之增強。頻率鎖定和失諧現象說(shuō)明,不是只有旋渦脫落頻率和套管固有頻率一致時(shí)才發(fā)生共振，而是一個(gè)范圍。
4振動(dòng)強度計算
      假定阻尼系數為0,保護套管受無(wú)阻尼的強迫振動(dòng)。如圖1所示。

      將套管的振動(dòng)看成是連續系統的振動(dòng),根據里茨法求套管的自然固有頻率,取基函數如式(1).(2)所列。

      以上基函數對于線(xiàn)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.上述基函數里茨法獲得的套管固有頻率與正確值非常接近。因此無(wú)須利用其他數值方法計算,對于上述基函數,有質(zhì)量矩陣系數，如式(3)~式(5)所列。


      一般來(lái)說(shuō)，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(wú)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象。ASME(美國機械工程師協(xié)會(huì )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(mǎn)足上式的要求,就要采取措施，避免產(chǎn)生共振現象。
5防止熱電偶套管斷裂的措施
      針對以上的理論分析和實(shí)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(dòng)幅值。如圖2所示。

      在保護套管的插入端增加-一個(gè)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(cháng)度,大大減小了套管尖端的振幅。
b)增大套管外徑，減小套管內徑可以提高截面慣性矩,亦增加了結構的固有頻率,可以錯開(kāi)共振危險區。在實(shí)際應用中常使用這種方法。在不影響相應時(shí)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(kāi)管道彎道,閥門(mén)，節流孔板附近，以防止速度擾動(dòng),引起某一振動(dòng)。
d)改變橫截面形狀,套管表面可加工成流線(xiàn)型，使流體不產(chǎn)生旋渦脫落現象。
e)減小套管長(cháng)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(shí)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(shí),縮短的長(cháng)度是有限的，否則影響測量精度和響應時(shí)間,進(jìn)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(cháng)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(huì )大大增加成本。
6結束語(yǔ)
      不難看出,影響套管安全使用的主要原因就是共振問(wèn)題。針對這一問(wèn)題，可以采取提高套管阻尼,增加壁厚,縮短套管長(cháng)度等方法來(lái)預防?？梢杂行p少熱電偶絲及保護套管的損壞。