热电偶套管断裂的原因分析及预防措施

摘要:热电偶保护套管在高温、高压状态下,受到流体的高速冲击,会出现套管断裂的现象。分析了用于测量流体温度的热电偶套管断裂的原因,提出了防止热电偶套管振动断裂的预防措施.
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--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-.尺寸同样插人.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0。
      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;频率锁定一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;失谐一由于非线性的耦合作用，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]”。
      当旋涡强度时高时低,套管将承受交变应力，阻力和横向升力也随之增强。频率锁定和失谐现象说明,不是只有旋涡脱落频率和套管固有频率一致时才发生共振，而是一个范围。
4振动强度计算
      假定阻尼系数为0,保护套管受无阻尼的强迫振动。如图1所示。

      将套管的振动看成是连续系统的振动,根据里茨法求套管的自然固有频率,取基函数如式(1).(2)所列。

      以上基函数对于线性变截面悬臂梁，里茨法获得的固有频率与正确解的相对误差仅为0.08%[4]，所以,可以相信,取.上述基函数里茨法获得的套管固有频率与正确值非常接近。因此无须利用其他数值方法计算,对于上述基函数,有质量矩阵系数，如式(3)~式(5)所列。


      一般来说，流体撞击产生的激励频率(旋涡脱落频率)要远低于套管固有频率，故在无其他激励情况下,套管符合上式的频率要求。上式也解释了频率锁定和失谐现象。ASME(美国机械工程师协会标准)标准中要求,旋涡脱落频率和套管固有频率的比值应小于0.8。
      但是,如果计算不能满足上式的要求,就要采取措施，避免产生共振现象。
5防止热电偶套管断裂的措施
      针对以上的理论分析和实际应用经验,提出以下几种措施。
a)提高套管阻尼可以降低振动幅值。如图2所示。

      在保护套管的插入端增加-一个保护圈,其外径和套管安装件的外径相同,起到支撑作用。这样缩短了悬臂的长度,大大减小了套管尖端的振幅。
b)增大套管外径，减小套管内径可以提高截面惯性矩,亦增加了结构的固有频率,可以错开共振危险区。在实际应用中常使用这种方法。在不影响相应时间的情况下,增加套管外径和壁厚,可以达到很好的效果。
c)安装位置错开管道弯道,阀门，节流孔板附近，以防止速度扰动,引起某一振动。
d)改变横截面形状,套管表面可加工成流线型，使流体不产生旋涡脱落现象。
e)减小套管长度能有效提高套管固有频率，并提高套管强度。此方法也是实际中常用的方法，但缩短多少要看具体情况。当此温度信号作为控制信号时,缩短的长度是有限的，否则影响测量精度和响应时间,进而影响控制质量。但如果此信号只为显示信号,例如就地双金属温度计等,既不参与控制,可缩短的长度相对可以多一些。
f)在热电偶套管后安装旋涡干扰装置,使脱落旋涡能量分散到更宽的频带上,从而降低绕流圆柱体的激振力。但这样会大大增加成本。
6结束语
      不难看出,影响套管安全使用的主要原因就是共振问题。针对这一问题，可以采取提高套管阻尼,增加壁厚,缩短套管长度等方法来预防。可以有效减少热电偶丝及保护套管的损坏。