超臨界機組運行中

熱電偶保護套管的應力計算超臨界和超超臨界機組與亞臨界機組相比，具有更高的效率，良好的運行靈活性和負荷適應性與顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的雙重功效，以及凈化咽氣、降低煤耗率、減少污染排放等優(yōu)點，因此，發(fā)展超臨界和超超臨界機組必然成為我國電力工業(yè)的發(fā)展方向。為了適應超臨界和超超臨界電站運行的需要，確保熱電偶保護套管在高溫高壓和沖刷等條件下安全使用，其設計的理論計算依據就顯得必不可少。１超超臨界機組工藝參數(shù)與保護管材質

超超臨界機組工藝參數(shù)，以1000MW機組為例，設計出口額定蒸汽壓力25.6Mpa，額定蒸汽溫度565℃，流速91m/s。

為適應如此高的溫度和壓力條件，管道材質采用P92和P91，熱電偶保護管材質的選擇考慮被測介質的壓力、溫度、流速、流體激振頻率、輸送介質的管道材質、以及保護管本身的耐溫耐壓能力、材料的焊接特性、熱膨脹特性、振動頻率等相關特性。在亞臨界機組中，熱電偶套管全部采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質，熱電偶更換十分方便，多年實踐運行證明其可靠性。那么在超超臨界機組上能不能也同樣采用就需要解決一個問題，即不銹鋼材質在超超臨界參數(shù)下的耐溫耐壓特性，是否同樣能夠達到其技術參數(shù)的要求。

2保護管的機械強度計算方法

對保護管的機械強度，是從四方面來考慮的：1）保護管在管道內，在流體流經之后產生的卡曼渦旋，其振動頻率不得與保護管的固有頻率相等，否則會發(fā)生共振導致斷裂；2）保護管在管道內承受流體壓力，必須要使保護管在結構上能承受這一壓力；3）保護管的最大長度；4）流體流動壓力產生的彎曲應力；5)壓力容器內外壓設計計算；6）壓力容器失穩(wěn)現(xiàn)象

。

圖1.1

A

L

3/8

Bd2.1受迫振動的簡諧力

流體流經圓柱提將產生卡曼渦旋，須考慮次旋渦頻率與保護管本身的固有頻率的比值，使其不產生共振。

按圖1.1設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)。

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(最小）5/83/415/161-1/161-1/4d(最?。?.2540.3790.5660.6910.879d(最大）0.2620.3870.5750.7000.888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）不應超過0.8，在這種條件下，反映動態(tài)振幅與靜態(tài)振幅關系的放大系數(shù)FM為：

當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）2.2流體對保護管的靜壓力

插入介質中保護管受到來自流體介質的外壓以及半徑方向與切線方向的徑向應力及切向應力。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：美國機械工程師學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力（磅/平方英寸）；K1：表1.3中的應力常數(shù)。表1.3應力常數(shù)值應力常數(shù)元件名義尺寸1/43/89/1611/167/8K10.4120.3340.2230.2020.155K237.542.346.848.750.1K30.1160.2050.3890.5480.8642.3保護管的最大長度

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：美國機械工程師學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中的應力常數(shù)。2.4流體流動壓力產生的彎曲應力

如將保護管插入流體中，則有動壓力作用在保護管上，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管的形狀，而投影面積S則由下式求得：S=（D1+D2）/2l動壓力R作用在保護關底部的彎矩M，當流速均勻分布，負載的重心位置為保護管端部時，可認為R作用在管的端頭，故彎矩為：M=R×l因此，保護管底部的抗彎截面系數(shù)為Z，彎矩對管作用的彎曲應力σ可用下式表示：σ=M/Z式中Z可根據材料力學由下式求得：

式中，d----保護管內徑。由此合并得到彎曲應力σ：

在使用范圍內，由上式求得的彎曲應力σ值，必須在保護管材質允許的范圍內，否則將導致保護管損壞。２.５壓力容器內外壓設計計算

壓力容器設計包括結構設計和強度設計兩個方面，結構設計是在滿足生產需要的基礎上力求結構簡單，制造方便。強度設計是根據強度要求確定容器個零部件的尺寸和結構。容器承受外壓作用與內壓容器相同，只是方向相反。在相關的機械設計手冊中都能找到相關的計算方法，在此羅列出需要計算的各個項目：表1.4計算種類計算項目內壓圓筒和球殼計算厚度熱應力殼壁組合應力校核封頭設計計算受內壓凸行封頭標準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，有時會突然產生失去自身原形的壓扁或折皺現(xiàn)象，器壁內的應力由單純的壓應力變?yōu)橹饕菑澢鷳Γ思礊槭Х€(wěn)現(xiàn)象。此刻對應的外壓力即為臨界壓力，因而要求工作壓力比臨界壓力?。肀?。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。3結合超超臨界技術參數(shù)計算保護套管是否安全

根據超超臨界環(huán)境參數(shù)，假設基于溫度測量技術考慮而能適用于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。

3.1通過查閱取得技術參數(shù)如下：

符號項目數(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℃時的許用應力13100磅/平方英寸565℃對常溫的頻比0.9183.2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）=1.1333.3應力計算

a）最大應力

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

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）

3.4流體動壓力產生的彎曲應力

流體動壓力產生的彎曲應力涉及到錐型保護管的具體應用中溫度計芯體外徑、頂部底部外徑、插入深度等尺寸，同樣可代入公式進行計算得出具體σ值，與保護管材質允許的范圍進行比對看是否符合要求，容器內外壓設計計算與壓力容器失穩(wěn)在各種版本的〈〈機械設計手冊〉〉中都能查閱到詳細的數(shù)據和計算方法，這里將不在進行詳細的數(shù)據計算。4結束語

根據保護管的強度理論計算依據，初步設計了目