热电偶套管断裂的原因分析及预防措施

    1　引　言

    温度传感器,如热电偶或热电阻,可能用于高温、高压及有高速流体冲击的场合,必须有足够强度的保护套管保护。保护套管的设计要考虑它的强度以保证传感器正常、安全工作,不会弯曲和断裂。一般来说,保护套管壁厚的增加能提高应力强度,但是壁厚的增加会增加传感器的热惰性,即传感器对温度反应变慢。所以合理设计和选择保护套管具有重要意义。

    2　热电偶套管断裂的原因

    鉴于维护工作中出现的现象,分析有以下几种原因:

    热电偶套管受流体冲击,载荷过大,应力超过极限;热电偶套管本身的加工缺陷,导致应力集中,容易造成断裂;管道振动过大,造成热电偶疲劳损坏;流体流经热电偶套管时,诱发套管振动,即套管固有频率和流体旋涡脱落频率接近或一致,产生共振现象。这种振动导致热电偶套管的加速损坏,以致断裂。

    在实际工作维护中,同一批同一尺寸同样插入深度的套管,某一根可能运行四五年不会损坏,而另一根可能在短期内发生断裂事故。故应力越限不是主要原因。热电偶套管在安装使用前都要进行探伤测试,合格后才可以安装。所以安装的热电偶套管一般不存在裂纹。虽然在热电偶套管螺口附近有一圆弧过渡段,会造成应力集中,但此点已在套管强度设计时考虑了。加工缺陷也不是热电偶套管断裂的主要原因。管道振动可加速套管内热电偶的损坏,但不是套管断裂的主要原因。振动过大也排除。

    在实际使用中发现,共振是造成热电偶套管断裂的主要原因。当产生共振现象时,套管就会出现周期性的交变应力。如果热电偶套管长久地承受很强的交变应力,套管某些应力最高的部位就会出现裂纹,在蒸汽的冲刷下,套管就会产生断裂。

    3　共振机理

    目前流体诱发振动机理大体可分为旋涡脱落、湍流颤振,流体弹性扰动。其中旋涡脱落所导致的振动(涡致振动)是人们研究的最早和最完善的一种机理。

    这种机理认为:在亚音速横向流中,任何非流线型物体尾部如果有足够的拖迹边缘都会产生旋涡脱落。当旋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的变化,从而导致作用在物体上流体压力的大小与方向的变化,最后引起物体振动[1]。

    正常情况下,旋涡引起套管振动的力量很小,可以忽略不计。但是,当旋涡脱落的频率与套管固有频率相接近时,会产生以下现象:

    出现“拍”的现象。旋涡强度呈现周期性,时高时低;尾流沿跨长的相关性增大;阻力增加;结构上承受的横向升力显著增强,可以提高2~3倍;频率锁定———当旋涡主导频率很接近套管振动频率时,旋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。直到流速增大到很大数值,使得上述两种频率相离较远时,主导频率才变化;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旋涡频率与结构固有频率相等处,而是在频率锁定段的中部[2~3]。