超臨界機(jī)組運(yùn)行中熱電偶保護(hù)套

超臨界機(jī)組運(yùn)行中熱電偶保護(hù)套第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四１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)組上能不能也同樣采用就需要解決一個問題，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，共23頁，2023年，2月20日，星期四2保護(hù)管的機(jī)械強(qiáng)度計算方法

對保護(hù)管的機(jī)械強(qiáng)度，是從四方面來考慮的：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，其振動頻率不得與保護(hù)管的固有頻率相等，否則會發(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)管的最大長度；4）流體流動壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；5)壓力容器內(nèi)外壓設(shè)計計算；6）壓力容器失穩(wěn)現(xiàn)象

。

第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四

圖1.1

A

L

3/8

Bd第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四2.1受迫振動的簡諧力

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)計的溫度計套管尺寸，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套管的自振頻率（次/秒）；

L：圖1-1中給出的溫度計套管長度（英寸）；

E：在使用條件下，溫度計套管材料的彈性系數(shù)（磅/平方英寸）；

γ：在使用條件下，溫度計套管的重度磅/立方英寸；

Kf：表1.2中的常數(shù)。

第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四表1.1溫度計套管尺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，共23頁，2023年，2月20日，星期四表1.2Kf值套管長度：L元件名義尺寸1/43/89/1611/167/82-1/22.062.422.973.323.844-1/22.072.453.013.393.967-1/22.082.463.053.444.0310-1/22.092.473.063.464.06162.092.473.073.474.08242.092.473.073.484.09第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四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0.8，在這種條件下，反映動態(tài)振幅與靜態(tài)振幅關(guān)系的放大系數(shù)FM為：

當(dāng)r≤0.8時，式中FM：放大系數(shù)（無量綱）r：頻率比值（fw/fn）（無量綱）第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四2.2流體對保護(hù)管的靜壓力

插入介質(zhì)中保護(hù)管受到來自流體介質(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。在給定溫度下對已知材料做的溫度計套管能承受的最大壓力可由下式計算：P=K1S式中：P：最大允許的表計靜壓（磅/平方英寸）；S：美國機(jī)械工程師學(xué)會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，共23頁，2023年，2月20日，星期四表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，共23頁，2023年，2月20日，星期四2.3保護(hù)管的最大長度

對于給定用途的套管，最大長度取決于振動及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。為了保持頻率比值小于或等于0.8，就需要對套管最大長度給予限制。另一個限制是考慮穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，最大長度由下式求得：

式中Lmax：給定用途的套管最大長度（英寸）；V：流體速度（英尺/秒）；v:流體的比容（立方英尺/磅）；S：美國機(jī)械工程師學(xué)會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，共23頁，2023年，2月20日，星期四2.4流體流動壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力

如將保護(hù)管插入流體中，則有動壓力作用在保護(hù)管上，該壓力可用下式表示：

式中，R------動壓力；

CD-----動力系數(shù)，它將考慮到保護(hù)管周圍流體阻力分布是不均勻的；

γ------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，共23頁，2023年，2月20日，星期四動壓力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，可認(rèn)為R作用在管的端頭，故彎矩為：M=R×l因此，保護(hù)管底部的抗彎截面系數(shù)為Z，彎矩對管作用的彎曲應(yīng)力σ可用下式表示：σ=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σ：

在使用范圍內(nèi)，由上式求得的彎曲應(yīng)力σ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，共23頁，2023年，2月20日，星期四２.５壓力容器內(nèi)外壓設(shè)計計算

壓力容器設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度設(shè)計兩個方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計是在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上力求結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。強(qiáng)度設(shè)計是根據(jù)強(qiáng)度要求確定容器個零部件的尺寸和結(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)計手冊中都能找到相關(guān)的計算方法，在此羅列出需要計算的各個項(xiàng)目：第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四表1.4計算種類計算項(xiàng)目內(nèi)壓圓筒和球殼計算厚度熱應(yīng)力殼壁組合應(yīng)力校核封頭設(shè)計計算受內(nèi)壓凸行封頭標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭碟形封頭無折邊球形封頭錐形封頭計算錐殼厚度受內(nèi)壓無折邊錐形封頭封頭大端厚度封頭小端厚度無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算圓形平蓋厚度非圓形平蓋厚度帶法蘭的凸形封頭計算帶法蘭的凸形封頭第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四２.６失穩(wěn)現(xiàn)象

對于薄壁殼體承受外壓后，有時會突然產(chǎn)生失去自身原形的壓扁或折皺現(xiàn)象，器壁內(nèi)的應(yīng)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ｍ倍。Ｐr（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算最小壁厚計算；2）外壓球形殼壁厚的計算；3）成型封頭（半球形、橢圓形、碟形封頭）的計算。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3結(jié)合超超臨界技術(shù)參數(shù)計算保護(hù)套管是否安全

根據(jù)超超臨界環(huán)境參數(shù)，假設(shè)基于溫度測量技術(shù)考慮而能適用于3/8英寸測溫元件用的溫度計套管長度確定為100mm（約3.9英寸），被測的過熱蒸汽溫度是565℃，壓力為25.6MPa(約3657磅/平方英寸),流速91.4m/s（300英尺/秒），溫度計套管材料為321型不銹鋼，通過計算套管是否安全。

第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3.1通過查閱取得技術(shù)參數(shù)如下：

符號項(xiàng)目數(shù)值v過熱蒸汽比容0.3353立方英寸/磅E常溫常溫時的彈性系數(shù)28.0×106磅/平方英寸γ常溫時金屬的重度0.290磅/平方英寸S565℃時的許用應(yīng)力13100磅/平方英寸565℃對常溫的頻比0.918第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3.2自振頻率

a）fn（常溫）=(2.45/3.92)（28×106/0.290）[1/2]=1576fn=0.918×1576=1447b）尾波頻率：

fw=2.64×300/（3/4）=1056c）放大系數(shù)

r=fw/fn=1056/1447=0.7290.729＜0.8（滿足要求）

FM=0.7292/（1-0.7292）=1.133第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3.3應(yīng)力計算

a）最大應(yīng)力

P=0.334×13100=43754375＞3657（滿足要求4375磅/平方英寸≈30MP）b）最大應(yīng)力長度

Lmax=42.3×[0.3353×（13100-0.205×3657）/（1+1.133）]1/2=6.2＞3.9故最大長度也滿足要求（6.2英寸≈157mm）

第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3.4流體動壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力

流體動壓力產(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)行計算得出具體σ值，與保護(hù)管材質(zhì)允許的范圍進(jìn)行比對看是否符合要求，容器內(nèi)外壓設(shè)計計算與壓力容器失穩(wěn)在各種版本的〈〈機(jī)械設(shè)計手冊〉〉中都能查閱到詳細(xì)的數(shù)據(jù)和計算方法，這里將不在進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)計算。第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四4結(jié)束語

根據(jù)保護(hù)管的強(qiáng)度理論計算依據(jù)，初步設(shè)計了目前我們將進(jìn)入超超臨界電站領(lǐng)域的測溫材料保護(hù)套管模型，為保護(hù)套管材料