高溫熱電偶保護套管泄漏的原因及預防

摘要:熱電偶長(cháng)期承受高溫高壓及高質(zhì)量流速的汽水沖擊,尤其在惡劣工況條件下,對其本體安全性的要求非常高。介紹了汕尾電廠(chǎng)兩起高溫熱電偶保護套管的失效事故。分析認為,保護套管的力學(xué)性能不佳,以及安裝時(shí)未按工藝要求進(jìn)行施工,是導致保護套管開(kāi)裂的主要原因。針對失效的原因,提出了相應的預防和改進(jìn)措施。
1概述
       作為測溫用的接觸式熱電偶,以其性能穩定、正確可靠、結構簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn),在火電廠(chǎng)的測溫系統中得到了廣泛應用。因熱電偶測溫常處于高溫狀態(tài)下,所以,熱電偶的套管發(fā)揮著(zhù)重要的保護作用,保護套管的安裝方式及材料性能,直接影響熱電偶的使用壽命及測溫工作的穩定性。作為四大管道上的測溫附件,熱電偶長(cháng)期承受高溫.高壓及高質(zhì)量流速的汽水沖擊,對本體附件安全性的要求非常高，尤其是在工況惡劣條件下,更需對其安裝及材料材質(zhì)的選用提出更高的要求。
2套管的泄漏現象
       汕尾電廠(chǎng)1號、2號機組為600MW超臨界機組,主汽額定參數:溫度為566C;壓力為25.4MPa。主蒸汽管.上裝有熱套式熱電偶進(jìn)行溫度測量,熱電偶的結構簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1所示。
       2008年7月23日,對1號機組進(jìn)行了計劃性檢修,在系統水壓試驗后，發(fā)現主蒸汽管上主汽門(mén)前一處熱電偶的保護套管有泄漏現象,取出此套管,經(jīng)檢查發(fā)現套管的根部存在裂紋。此后不久,在2號機組的主汽管.上,也發(fā)現了熱電偶的保護套管存在泄漏現象,取套管后檢查,與1號機組保護套管的失效情況相同,此時(shí),距機組正式投產(chǎn)發(fā)電還不到半年時(shí)間。

3對套管的檢查及材料分析
3.1現場(chǎng)檢查情況
       現場(chǎng)檢查保護套管的安裝情況,此套管插入主蒸汽管的深度為98mm,在套管與主蒸汽管的接觸部位有磨損的痕跡,并有安裝焊接時(shí)為調整對口間隙而打磨套管的痕跡。套管的實(shí)物圖像及裂縫位置,見(jiàn)圖2所示。

       對失效套管進(jìn)行觀(guān)察,斷裂面無(wú)塑性變形痕跡，斷口表面平整,邊緣無(wú)剪切唇;斷口表面呈顆粒狀，顏色灰暗,斷口的部分部位有貝殼狀條紋,從斷裂面可看出明顯的材料疲勞特征。
3.2試驗分析
3.2.1化學(xué)成份分析
       保護套管的材質(zhì)為SA213-T91,失效試樣的化學(xué)成分與美國工程師學(xué)會(huì )制定的鍋爐及壓力容器規范第I卷A篇《鐵基材料》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME規范)對比如表1所示。其化學(xué)成分基本符合ASME規范要求。

3.2.2金相分析
       在套管的不同位置取樣進(jìn)行金相組織分析，分.析結果顯示,在試樣中殘留少量馬氏體,說(shuō)明材料在熱處理過(guò)程中回火不充分,見(jiàn)圖3~圖6所示。




3.2.3力學(xué)性能
        對失效套管切取了部分材料,制成試樣后進(jìn)行了拉伸、沖擊性能試驗和硬度測量,試樣的力學(xué)性能測試數據見(jiàn)表2。

4檢查及測試后所得結論
4.1保護套管的材質(zhì)化學(xué)成份基本符合ASME規范的要求。.
4.2金相組織顯示,裂紋沿晶界擴展,試樣中殘留少量馬氏體,說(shuō)明套管材料在熱處理過(guò)程中回火不.充分。
4.3力學(xué)性能結果顯示,抗拉強度和屈服強度均符合標準要求,但硬度值偏高,材料的延伸率低于標準要求,材料的塑性下降。
4.4套管的插入深度為98mm。套管的有效插入深度(從管內壁算起),按1990年頒發(fā)的SDI279--90《電力建設施工及驗收技術(shù)規范(熱工儀表及控制裝置篇)》沖規定:高溫高壓蒸汽管道的公稱(chēng)直徑等于或小于250mm時(shí),有效插入深度宜為70mm;公稱(chēng)直徑大于250mm,有效插入深度宜為100mm。本次失效熱電偶裝配在規格為ID292X53mm的主蒸汽母管上,保護套管的插入深度符合規范要求。
5套管的失效原因
5.1從金相組織分析可以得知,裂紋尖端沿晶界擴展,有明顯的脆性斷裂特點(diǎn);套管試樣中殘留少量馬氏體,馬氏體是因回火不充分而存留的組織,少量馬氏體的存在,使套管材料在硬度上偏高,材料的脆性增大,從而降低了材料的韌性。
5.2安裝時(shí)打磨溫度套管的原因。安裝套管時(shí),因無(wú)法與管座的頂部進(jìn)行組對焊接,而采取打磨溫度套管的三棱錐與母管接觸的部位來(lái)調整間隙,在打磨過(guò)程中,由于打磨不均勻導致套管三棱錐部位與母管內孔接觸存在間隙,而套管在運行中,受到了高溫高壓蒸汽的持續沖擊力,這部分間隙使套管在強大沖擊力的作用下更容易發(fā)生共振。
5.3分析認為,共振是造成熱電偶套管斷裂的主要原因。當汽流旋渦主導的頻率很接近套管固有振動(dòng)頻率時(shí),則發(fā)生共振。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,套管某些應力最高的部位就會(huì )產(chǎn)生高周疲勞,在蒸汽的沖刷下,疲勞裂紋擴展,很快就會(huì )產(chǎn)生斷裂。
5.4在上述兩個(gè)原因的綜合作用下,使得套管結構最薄弱的地方在承受工作應力較低(通常遠遠低于材料的屈服強度)的情況下提前出現脆性斷裂。
6預防措施
6.1待機組停機時(shí)，擴大此種類(lèi)型熱電偶的檢查范圍,爭取盡快消除機組中的該類(lèi)溫度測點(diǎn)的隱患,提高機組安全運行的安全系數,減少和避免機組的事故停機。
6.2增加此類(lèi)設備采購時(shí)材料性能的技術(shù)要求,保證加工保護套管用的原材料性能,規范設備到貨入庫檢驗流程。
6.3制定合理的安裝施工作業(yè)指導書(shū),防止因安裝時(shí)遺留間隙的原因,導致高頻共振而發(fā)生的疲勞失效。
7結束語(yǔ)
       通過(guò)對失效部件的材料性能試驗及安裝結構進(jìn)行分析,得出材料性能及安裝工藝方面的問(wèn)題，這些原因是使保護套管提前失效的主要因素,而套管本身固有的工作環(huán)境也是引發(fā)失效的原因之一。據此,提出了加強高溫測溫元件的材料質(zhì)量監督,加強現場(chǎng)安裝質(zhì)量監督及制定合理的施工工藝等措施,可最大限度地避免此類(lèi)事故的發(fā)生。