超臨界機(jī)組運(yùn)行中熱電偶保護(hù)套

1、超臨界機(jī)組運(yùn)行中熱電偶保護(hù)套第1頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三超超臨界機(jī)組工藝參數(shù)與保護(hù)管材質(zhì) 超超臨界機(jī)組工藝參數(shù)，以1000MW機(jī)組為例，設(shè)計(jì)出口額定蒸汽壓力25.6Mpa，額定蒸汽溫度565，流速91m/s。 為適應(yīng)如此高的溫度和壓力條件，管道材質(zhì)采用P92和P91，熱電偶保護(hù)管材質(zhì)的選擇考慮被測(cè)介質(zhì)的壓力、溫度、流速、流體激振頻率、輸送介質(zhì)的管道材質(zhì)、以及保護(hù)管本身的耐溫耐壓能力、材料的焊接特性、熱膨脹特性、振動(dòng)頻率等相關(guān)特性。在亞臨界機(jī)組中，熱電偶套管全部采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，熱電偶更換十分方便，多年實(shí)踐運(yùn)行證明其可靠性。那么在超超臨界機(jī)組上能

2、不能也同樣采用就需要解決一個(gè)問(wèn)題，即不銹鋼材質(zhì)在超超臨界參數(shù)下的耐溫耐壓特性，是否同樣能夠達(dá)到其技術(shù)參數(shù)的要求。 第2頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三2 保護(hù)管的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算方法 對(duì)保護(hù)管的機(jī)械強(qiáng)度，是從四方面來(lái)考慮的：1）保護(hù)管在管道內(nèi)，在流體流經(jīng)之后產(chǎn)生的卡曼渦旋，其振動(dòng)頻率不得與保護(hù)管的固有頻率相等，否則會(huì)發(fā)生共振導(dǎo)致斷裂；2）保護(hù)管在管道內(nèi)承受流體壓力，必須要使保護(hù)管在結(jié)構(gòu)上能承受這一壓力；3）保護(hù)管的最大長(zhǎng)度；4）流體流動(dòng)壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；5)壓力容器內(nèi)外壓設(shè)計(jì)計(jì)算；6）壓力容器失穩(wěn)現(xiàn)象 。 第3頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三 圖1

3、.1 A L 3/8 Bd第4頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三2.1受迫振動(dòng)的簡(jiǎn)諧力 流體流經(jīng)圓柱提將產(chǎn)生卡曼渦旋，須考慮次旋渦頻率與保護(hù)管本身的固有頻率的比值，使其不產(chǎn)生共振。 按圖1.1設(shè)計(jì)的溫度計(jì)套管尺寸，其自振頻率由下列方程給出： 公式（1）式中，fn：在使用溫度條件下溫度計(jì)套管的自振頻率（次/秒）； L：圖1-1中給出的溫度計(jì)套管長(zhǎng)度（英寸）； E：在使用條件下，溫度計(jì)套管材料的彈性系數(shù)（磅/平方英寸）； ：在使用條件下，溫度計(jì)套管的重度磅/立方英寸； Kf：表1.2中的常數(shù)。 第5頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三表1.1 溫度計(jì)套管尺

4、寸尺寸大小元件名義尺寸1/43/89/1611/167/8A(最?。?3/1615/161-1/81-1/41-7/16B (最?。?/83/415/161-1/161-1/4d (最?。?.2540.3790.5660.6910.879d (最大）0.2620.3870.5750.7000.888第6頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三表1.2 Kf值套管長(zhǎng)度： L元件名義尺寸1/43/89/1611/167/82-1/22.062.422.973.323.844-1/22.072.453.013.393.967-1/22.082.463.053.444.0310-1/2

5、2.092.473.063.464.06162.092.473.073.474.08242.092.473.073.484.09第7頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三尾波頻率由下式求得： 式中，fw：尾波頻率（次/秒）； V：流速（英尺/秒）； B：端部直徑（英寸）。 尾波頻率fw與自振頻率fn的比值（fw/fn）不應(yīng)超過(guò)0.8，在這種條件下，反映動(dòng)態(tài)振幅與靜態(tài)振幅關(guān)系的放大系數(shù)FM為：當(dāng)r0.8時(shí)，式中FM：放大系數(shù)（無(wú)量綱）r：頻率比值（fw/fn）（無(wú)量綱）第8頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三2.2流體對(duì)保護(hù)管的靜壓力 插入介質(zhì)中保護(hù)管受到來(lái)

6、自流體介質(zhì)的外壓以及半徑方向與切線方向的徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力。在給定溫度下對(duì)已知材料做的溫度計(jì)套管能承受的最大壓力可由下式計(jì)算：P=K1S式中：P：最大允許的表計(jì)靜壓（磅/平方英寸）；S：美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)鍋爐和壓力容器或管道規(guī)范給定的工作溫度下材料的許用應(yīng)力（磅/平方英寸）；K1：表1.3中的應(yīng)力常數(shù)。第9頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三表1.3應(yīng)力常數(shù)值應(yīng)力常數(shù)元件名義尺寸1/43/89/1611/167/8K10.4120.3340.2230.2020.155K237.542.346.848.750.1K30.1160.2050.3890.5480.864第10頁(yè)，

7、共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三2.3保護(hù)管的最大長(zhǎng)度 對(duì)于給定用途的套管，最大長(zhǎng)度取決于振動(dòng)及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。為了保持頻率比值小于或等于0.8，就需要對(duì)套管最大長(zhǎng)度給予限制。另一個(gè)限制是考慮穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，最大長(zhǎng)度由下式求得：式中Lmax：給定用途的套管最大長(zhǎng)度（英寸）；V：流體速度（英尺/秒）；v: 流體的比容（立方英尺/磅）；S：美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)鍋爐和壓力容器或管道規(guī)范給定的工作溫度下材料的許用應(yīng)力（磅/平方英寸）；P：工作表計(jì)靜壓（磅/平方英寸）；Fm：公式（3）中算得的放大系數(shù)；K2 ，K3：表1.3中的應(yīng)力常數(shù)。第11頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期

8、三2.4流體流動(dòng)壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力如將保護(hù)管插入流體中，則有動(dòng)壓力作用在保護(hù)管上，該壓力可用下式表示： 式中，R-動(dòng)壓力； CD-動(dòng)力系數(shù)，它將考慮到保護(hù)管周?chē)黧w阻力分布是不均勻的； -流體的重度，N/cm3; v-流體流速，cm/s； S-保護(hù)管在流速方向的投影面積，cm3 g-重力加速度，cm/S2.阻力系數(shù)CD取決于插入流體中保護(hù)管的形狀，而投影面積S則由下式求得：S=（D1+D2）/2l第12頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三動(dòng)壓力R作用在保護(hù)關(guān)底部的彎矩M，當(dāng)流速均勻分布，負(fù)載的重心位置為保護(hù)管端部時(shí)，可認(rèn)為R作用在管的端頭，故彎矩為：M=Rl因此，保護(hù)管底部

9、的抗彎截面系數(shù)為Z，彎矩對(duì)管作用的彎曲應(yīng)力可用下式表示：=M/Z式中Z可根據(jù)材料力學(xué)由下式求得：式中，d-保護(hù)管內(nèi)徑。由此合并得到彎曲應(yīng)力：在使用范圍內(nèi)，由上式求得的彎曲應(yīng)力值，必須在保護(hù)管材質(zhì)允許的范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致保護(hù)管損壞。第13頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三.壓力容器內(nèi)外壓設(shè)計(jì)計(jì)算 壓力容器設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。強(qiáng)度設(shè)計(jì)是根據(jù)強(qiáng)度要求確定容器個(gè)零部件的尺寸和結(jié)構(gòu)。容器承受外壓作用與內(nèi)壓容器相同，只是方向相反。在相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中都能找到相關(guān)的計(jì)算方法，在此羅列出需要計(jì)算的各個(gè)項(xiàng)目： 第14

10、頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三表1.4計(jì)算種類(lèi) 計(jì)算項(xiàng)目 內(nèi)壓圓筒和球殼計(jì)算 厚度 熱應(yīng)力 殼壁組合應(yīng)力校核 封頭設(shè)計(jì)計(jì)算 受內(nèi)壓凸行封頭 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭 碟形封頭 無(wú)折邊球形封頭 錐形封頭計(jì)算 錐殼厚度 受內(nèi)壓無(wú)折邊錐形封頭 封頭大端厚度 封頭小端厚度 無(wú)折邊錐形封頭厚度 受內(nèi)壓折邊錐形封頭 封頭大端厚度 封頭小端厚度 折邊錐形封頭厚度 平蓋計(jì)算 圓形平蓋厚度 非圓形平蓋厚度 帶法蘭的凸形封頭計(jì)算 帶法蘭的凸形封頭 第15頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三. 失穩(wěn)現(xiàn)象 對(duì)于薄壁殼體承受外壓后，有時(shí)會(huì)突然產(chǎn)生失去自身原形的壓扁或折皺現(xiàn)象，器壁內(nèi)的應(yīng)

11、力由單純的壓應(yīng)力變?yōu)橹饕菑澢鷳?yīng)力，此即為失穩(wěn)現(xiàn)象。 此刻對(duì)應(yīng)的外壓力即為臨界壓力，因而要求工作壓力比臨界壓力小倍。 r（工作壓力）Por（臨界壓力）/m（穩(wěn)定系數(shù)） 這里主要使用于承受外壓的圓筒形與球形殼體的壁厚確定，主要包括：1）壓圓筒殼和管子的計(jì)算最小壁厚計(jì)算；2）外壓球形殼壁厚的計(jì)算；3）成型封頭（半球形、橢圓形、碟形封頭）的計(jì)算。第16頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三3結(jié)合超超臨界技術(shù)參數(shù)計(jì)算保護(hù)套管是否安全 根據(jù)超超臨界環(huán)境參數(shù)，假設(shè)基于溫度測(cè)量技術(shù)考慮而能適用于3/8英寸測(cè)溫元件用的溫度計(jì)套管長(zhǎng)度確定為100mm（約3.9英寸），被測(cè)的過(guò)熱蒸汽溫度是565

12、，壓力為25.6MPa(約3657磅/平方英寸),流速91.4m/s（300英尺/秒），溫度計(jì)套管材料為321型不銹鋼，通過(guò)計(jì)算套管是否安全。 第17頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三3.1通過(guò)查閱取得技術(shù)參數(shù)如下： 符號(hào) 項(xiàng)目 數(shù)值 v 過(guò)熱蒸汽比容 0.3353立方英寸/磅 E常溫 常溫時(shí)的彈性系數(shù) 28.0106磅/平方英寸 常溫時(shí)金屬的重度 0.290磅/平方英寸 S 565時(shí)的許用應(yīng)力 13100磅/平方英寸 565對(duì)常溫的頻比 0.918 第18頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三3.2自振頻率 a） fn（常溫）=(2.45/3.92)

13、（28106/0.290）1/2 =1576 fn=0.9181576=1447b）尾波頻率： fw=2.64300/（3/4）=1056c）放大系數(shù) r= fw/ fn=1056/1447=0.729 0.7290.8 （滿足要求） FM=0.7292/（1-0.7292）=1.133第19頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三3.3應(yīng)力計(jì)算 a）最大應(yīng)力 P=0.33413100=4375 43753657 （滿足要求4375磅/平方英寸30MP）b）最大應(yīng)力長(zhǎng)度 Lmax=42.30.3353（13100-0.2053657）/（1+1.133）1/2=6.23.9 故

14、最大長(zhǎng)度也滿足要求（6.2英寸157mm） 第20頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三3.4流體動(dòng)壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 流體動(dòng)壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力涉及到錐型保護(hù)管的具體應(yīng)用中溫度計(jì)芯體外徑、頂部底部外徑、插入深度等尺寸，同樣可代入公式進(jìn)行計(jì)算得出具體值，與保護(hù)管材質(zhì)允許的范圍進(jìn)行比對(duì)看是否符合要求，容器內(nèi)外壓設(shè)計(jì)計(jì)算與壓力容器失穩(wěn)在各種版本的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中都能查閱到詳細(xì)的數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，這里將不在進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算。第21頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期三4結(jié)束語(yǔ) 根據(jù)保護(hù)管的強(qiáng)度理論計(jì)算依據(jù)，初步設(shè)計(jì)了目前我們將進(jìn)入超超臨界電站領(lǐng)域的測(cè)溫材料保護(hù)套管模型，為保護(hù)套管材料在未來(lái)的應(yīng)用中提供了部分理論計(jì)算依據(jù)，還需要繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，