超临界机组运行中热电偶保护套

1、超临界机组运行中热电偶保护套第1页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三超超临界机组工艺参数与保护管材质 超超临界机组工艺参数，以1000MW机组为例，设计出口额定蒸汽压力25.6Mpa，额定蒸汽温度565，流速91m/s。 为适应如此高的温度和压力条件，管道材质采用P92和P91，热电偶保护管材质的选择考虑被测介质的压力、温度、流速、流体激振频率、输送介质的管道材质、以及保护管本身的耐温耐压能力、材料的焊接特性、热膨胀特性、振动频率等相关特性。在亚临界机组中，热电偶套管全部采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材质，热电偶更换十分方便，多年实践运行证明其可靠性。那么在超超临界机组上能

2、不能也同样采用就需要解决一个问题，即不锈钢材质在超超临界参数下的耐温耐压特性，是否同样能够达到其技术参数的要求。 第2页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三2 保护管的机械强度计算方法 对保护管的机械强度，是从四方面来考虑的：1）保护管在管道内，在流体流经之后产生的卡曼涡旋，其振动频率不得与保护管的固有频率相等，否则会发生共振导致断裂；2）保护管在管道内承受流体压力，必须要使保护管在结构上能承受这一压力；3）保护管的最大长度；4）流体流动压力产生的弯曲应力；5)压力容器内外压设计计算；6）压力容器失稳现象 。 第3页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三 图1

3、.1 A L 3/8 Bd第4页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三2.1受迫振动的简谐力 流体流经圆柱提将产生卡曼涡旋，须考虑次旋涡频率与保护管本身的固有频率的比值，使其不产生共振。 按图1.1设计的温度计套管尺寸，其自振频率由下列方程给出： 公式（1）式中，fn：在使用温度条件下温度计套管的自振频率（次/秒）； L：图1-1中给出的温度计套管长度（英寸）； E：在使用条件下，温度计套管材料的弹性系数（磅/平方英寸）； ：在使用条件下，温度计套管的重度磅/立方英寸； Kf：表1.2中的常数。 第5页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三表1.1 温度计套管尺

4、寸尺寸大小元件名义尺寸1/43/89/1611/167/8A(最小）13/1615/161-1/81-1/41-7/16B (最小）5/83/415/161-1/161-1/4d (最小）0.2540.3790.5660.6910.879d (最大）0.2620.3870.5750.7000.888第6页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三表1.2 Kf值套管长度： L元件名义尺寸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页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三尾波频率由下式求得： 式中，fw：尾波频率（次/秒）； V：流速（英尺/秒）； B：端部直径（英寸）。 尾波频率fw与自振频率fn的比值（fw/fn）不应超过0.8，在这种条件下，反映动态振幅与静态振幅关系的放大系数FM为：当r0.8时，式中FM：放大系数（无量纲）r：频率比值（fw/fn）（无量纲）第8页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三2.2流体对保护管的静压力 插入介质中保护管受到来

6、自流体介质的外压以及半径方向与切线方向的径向应力及切向应力。在给定温度下对已知材料做的温度计套管能承受的最大压力可由下式计算：P=K1S式中：P：最大允许的表计静压（磅/平方英寸）；S：美国机械工程师学会锅炉和压力容器或管道规范给定的工作温度下材料的许用应力（磅/平方英寸）；K1：表1.3中的应力常数。第9页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三表1.3应力常数值应力常数元件名义尺寸1/43/89/1611/167/8K10.4120.3340.2230.2020.155K237.542.346.848.750.1K30.1160.2050.3890.5480.864第10页，

7、共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三2.3保护管的最大长度 对于给定用途的套管，最大长度取决于振动及稳态应力。为了保持频率比值小于或等于0.8，就需要对套管最大长度给予限制。另一个限制是考虑稳态应力，最大长度由下式求得：式中Lmax：给定用途的套管最大长度（英寸）；V：流体速度（英尺/秒）；v: 流体的比容（立方英尺/磅）；S：美国机械工程师学会锅炉和压力容器或管道规范给定的工作温度下材料的许用应力（磅/平方英寸）；P：工作表计静压（磅/平方英寸）；Fm：公式（3）中算得的放大系数；K2 ，K3：表1.3中的应力常数。第11页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期

8、三2.4流体流动压力产生的弯曲应力如将保护管插入流体中，则有动压力作用在保护管上，该压力可用下式表示： 式中，R-动压力； CD-动力系数，它将考虑到保护管周围流体阻力分布是不均匀的； -流体的重度，N/cm3; v-流体流速，cm/s； S-保护管在流速方向的投影面积，cm3 g-重力加速度，cm/S2.阻力系数CD取决于插入流体中保护管的形状，而投影面积S则由下式求得：S=（D1+D2）/2l第12页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三动压力R作用在保护关底部的弯矩M，当流速均匀分布，负载的重心位置为保护管端部时，可认为R作用在管的端头，故弯矩为：M=Rl因此，保护管底部

9、的抗弯截面系数为Z，弯矩对管作用的弯曲应力可用下式表示：=M/Z式中Z可根据材料力学由下式求得：式中，d-保护管内径。由此合并得到弯曲应力：在使用范围内，由上式求得的弯曲应力值，必须在保护管材质允许的范围内，否则将导致保护管损坏。第13页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三.压力容器内外压设计计算 压力容器设计包括结构设计和强度设计两个方面，结构设计是在满足生产需要的基础上力求结构简单，制造方便。强度设计是根据强度要求确定容器个零部件的尺寸和结构。容器承受外压作用与内压容器相同，只是方向相反。在相关的机械设计手册中都能找到相关的计算方法，在此罗列出需要计算的各个项目： 第14

10、页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三表1.4计算种类 计算项目 内压圆筒和球壳计算 厚度 热应力 壳壁组合应力校核 封头设计计算 受内压凸行封头 标准椭圆封头 碟形封头 无折边球形封头 锥形封头计算 锥壳厚度 受内压无折边锥形封头 封头大端厚度 封头小端厚度 无折边锥形封头厚度 受内压折边锥形封头 封头大端厚度 封头小端厚度 折边锥形封头厚度 平盖计算 圆形平盖厚度 非圆形平盖厚度 带法兰的凸形封头计算 带法兰的凸形封头 第15页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三. 失稳现象 对于薄壁壳体承受外压后，有时会突然产生失去自身原形的压扁或折皱现象，器壁内的应

11、力由单纯的压应力变为主要是弯曲应力，此即为失稳现象。 此刻对应的外压力即为临界压力，因而要求工作压力比临界压力小倍。 r（工作压力）Por（临界压力）/m（稳定系数） 这里主要使用于承受外压的圆筒形与球形壳体的壁厚确定，主要包括：1）压圆筒壳和管子的计算最小壁厚计算；2）外压球形壳壁厚的计算；3）成型封头（半球形、椭圆形、碟形封头）的计算。第16页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三3结合超超临界技术参数计算保护套管是否安全 根据超超临界环境参数，假设基于温度测量技术考虑而能适用于3/8英寸测温元件用的温度计套管长度确定为100mm（约3.9英寸），被测的过热蒸汽温度是565

12、，压力为25.6MPa(约3657磅/平方英寸),流速91.4m/s（300英尺/秒），温度计套管材料为321型不锈钢，通过计算套管是否安全。 第17页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三3.1通过查阅取得技术参数如下： 符号 项目 数值 v 过热蒸汽比容 0.3353立方英寸/磅 E常温 常温时的弹性系数 28.0106磅/平方英寸 常温时金属的重度 0.290磅/平方英寸 S 565时的许用应力 13100磅/平方英寸 565对常温的频比 0.918 第18页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三3.2自振频率 a） fn（常温）=(2.45/3.92)

13、（28106/0.290）1/2 =1576 fn=0.9181576=1447b）尾波频率： fw=2.64300/（3/4）=1056c）放大系数 r= fw/ fn=1056/1447=0.729 0.7290.8 （满足要求） FM=0.7292/（1-0.7292）=1.133第19页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三3.3应力计算 a）最大应力 P=0.33413100=4375 43753657 （满足要求4375磅/平方英寸30MP）b）最大应力长度 Lmax=42.30.3353（13100-0.2053657）/（1+1.133）1/2=6.23.9 故

14、最大长度也满足要求（6.2英寸157mm） 第20页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三3.4流体动压力产生的弯曲应力 流体动压力产生的弯曲应力涉及到锥型保护管的具体应用中温度计芯体外径、顶部底部外径、插入深度等尺寸，同样可代入公式进行计算得出具体值，与保护管材质允许的范围进行比对看是否符合要求，容器内外压设计计算与压力容器失稳在各种版本的机械设计手册中都能查阅到详细的数据和计算方法，这里将不在进行详细的数据计算。第21页，共23页，2022年，5月20日，9点57分，星期三4结束语 根据保护管的强度理论计算依据，初步设计了目前我们将进入超超临界电站领域的测温材料保护套管模型，为保护套管材料在未来的应用中提供了部分理论计算依据，还需要继续进一步优化设计方案，