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1、超临界机组运行中热电偶保护套本讲稿第一页，共二十三页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与保护管材质 超超超超临临界界机机组组工工艺艺参参数数，以以1000MW机机组组为为例例，设设计计出出口口额额定定蒸蒸汽汽压压力力25.6Mpa，额额定定蒸蒸汽汽温温度度565，流流速速91m/s。为适应如此高的温度和压力条件，管道材质采用为适应如此高的温度和压力条件，管道材质采用P92和和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速、流体激振频率、输送介质的管道材质、以
2、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性。在亚临界机组中，热电偶套管全部采用1Cr18Ni9Ti不锈钢不锈钢材质，热电偶更换十分方便，多年实践运行证明其可靠性。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不能也同样采用就需要解决一个那么在超超临界机组上能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，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。是否同样能够达到其技术参数
3、的要求。本讲稿第二页，共二十三页2 2 保护管的机械强度计算方法保护管的机械强度计算方法 对保护管的机械强度，是从四方面对保护管的机械强度，是从四方面来考虑的：来考虑的：1）保护管在管道内，在流体）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，否则会不得与保护管的固有频率相等，否则会发生共振导致断裂；发生共振导致断裂；2）保护管在管道内）保护管在管道内承受流体压力，必须要使保护管在结构承受流体压力，必须要使保护管在结构上能承受这一压力；上能承受这一压力；3）保护管的最大长）保护管的最大长度；度；4）流体流动压力产生的弯曲应
4、力）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；压力容器内外压设计计算；6）压力容）压力容器失稳现象器失稳现象。本讲稿第三页，共二十三页 图1.1 A L 3/8 Bd本讲稿第四页，共二十三页2.1受迫振动的简谐力受迫振动的简谐力 流流体体流流经经圆圆柱柱提提将将产产生生卡卡曼曼涡涡旋旋，须须考考虑虑次次旋旋涡涡频频率率与与保保护护管管本本身身的的固有频率的比值，使其不产生共振。固有频率的比值，使其不产生共振。按图按图1.1设计的温度计套管尺寸，其自振频率由下列方程给出：设计的温度计套管尺寸，其自振频率由下列方程给出：公式（公式（1）式中，式中，fn：在使用温度条件下温度计套管的自
5、振频率（次在使用温度条件下温度计套管的自振频率（次/秒）；秒）；L：图图1-1中给出的温度计套管长度（英寸）；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（在使用条件下，温度计套管材料的弹性系数（磅磅/平方英寸）平方英寸）；：在使用条件下，温度计套管的重度在使用条件下，温度计套管的重度磅磅/立方英寸立方英寸；Kf：表表1.2中的常数。中的常数。本讲稿第五页，共二十三页表表1.1温度计套管尺寸温度计套管尺寸尺寸大尺寸大小小元件名义尺寸元件名义尺寸1/43/89/1611/167/8A(最小）最小）13/1615/161-1/81-1/41-7/16B(最小）最小）5
6、/83/415/161-1/161-1/4d(最小）最小）0.2540.3790.5660.6910.879d(最大）最大）0.2620.3870.5750.7000.888本讲稿第六页，共二十三页表表1.2Kf值值套管长套管长度：度：L元件名义尺寸元件名义尺寸1/43/89/1611/167/82-1/22.062.422.973.323.844-1/22.072.453.013.393.967-1/22.082.463.053.444.0310-1/22.092.473.063.464.06162.092.473.073.474.08242.092.473.073.484.09本讲稿第七页
7、，共二十三页尾波频率由下式求得：尾波频率由下式求得：式中，式中，fw：尾波频率（次尾波频率（次/秒）；秒）；V：流速（英尺流速（英尺/秒）；秒）；B：端部直径（英寸）。端部直径（英寸）。尾尾波波频频率率fw与与自自振振频频率率fn的的比比值值（fw/fn）不不应应超超过过0.8，在在这这种种条条件件下下，反反映映动动态态振振幅幅与与静静态态振振幅幅关关系系的的放放大系数大系数FM为：为：当当r0.8时，式中时，式中FM：放大系数（无量纲）放大系数（无量纲）r：频率比值（频率比值（fw/fn）（）（无量纲）无量纲）本讲稿第八页，共二十三页2.2流体对保护管的静压力流体对保护管的静压力 插插入入介
8、介质质中中保保护护管管受受到到来来自自流流体体介介质质的的外外压压以以及及半半径径方方向向与与切切线方向的径向应力及切向应力。线方向的径向应力及切向应力。在在给给定定温温度度下下对对已已知知材材料料做做的的温温度度计计套套管管能能承承受受的的最最大大压压力力可可由下式计算：由下式计算：P=K1S式中：式中：P：最大允许的表计静压（最大允许的表计静压（磅磅/平方英寸）平方英寸）；S：美美国国机机械械工工程程师师学学会会锅锅炉炉和和压压力力容容器器或或管管道道规规范范给给定定的工作温度下材料的许用应力（的工作温度下材料的许用应力（磅磅/平方英寸）平方英寸）；K1：表表1.3中的应力常数。中的应力常
9、数。本讲稿第九页，共二十三页表表1.3应力常数值应力常数值应力常数应力常数元件名义尺寸元件名义尺寸1/43/89/1611/167/8K10.4120.3340.2230.2020.155K237.542.346.848.750.1K30.1160.2050.3890.5480.864本讲稿第十页，共二十三页2.3保护管的最大长度保护管的最大长度 对对于于给给定定用用途途的的套套管管，最最大大长长度度取取决决于于振振动动及及稳稳态态应应力力。为为了了保保持持频频率率比比值值小小于于或或等等于于0.8，就就需需要要对对套套管管最最大大长长度度给给予限制。另一个限制是考虑稳态应力，最大长度由下式求
10、得：予限制。另一个限制是考虑稳态应力，最大长度由下式求得：式中式中Lmax：给定用途的套管最大长度（英寸）；给定用途的套管最大长度（英寸）；V：流体速度（英尺流体速度（英尺/秒）；秒）；v:流体的比容（立方英尺流体的比容（立方英尺/磅）；磅）；S：美美国国机机械械工工程程师师学学会会锅锅炉炉和和压压力力容容器器或或管管道道规规范范给给定定的的工作温度下材料的许用应力（工作温度下材料的许用应力（磅磅/平方英寸）平方英寸）；P：工作表计静压（工作表计静压（磅磅/平方英寸）平方英寸）；Fm：公式（公式（3）中算得的放大系数；）中算得的放大系数；K2，K3：表表1.3中的应力常数。中的应力常数。本讲稿
11、第十一页，共二十三页2.4流体流动压力产生的弯曲应力流体流动压力产生的弯曲应力如如将将保保护护管管插插入入流流体体中中，则则有有动动压压力力作作用用在在保保护护管管上上，该压力可用下式表示：该压力可用下式表示：式中，式中，R-动压力；动压力；CD-动动力力系系数数，它它将将考考虑虑到到保保护护管管周周围围流流体体阻阻力力分分布布是不均匀的；是不均匀的；-流体的重度，流体的重度，N/cm3;v-流体流速，流体流速，cm/s；S-保护管在流速方向的投影面积，保护管在流速方向的投影面积，cm3g-重力加速度，重力加速度，cm/S2.阻阻力力系系数数CD取取决决于于插插入入流流体体中中保保护护管管的的
12、形形状状，而而投投影影面面积积S则由下式求得：则由下式求得：S=（D1+D2）/2l本讲稿第十二页，共二十三页动动压压力力R作作用用在在保保护护关关底底部部的的弯弯矩矩M，当当流流速速均均匀匀分分布布，负负载载的的重重心心位位置置为为保护管端部时，可认为保护管端部时，可认为R作用在管的端头，故弯矩为：作用在管的端头，故弯矩为：M=Rl因因此此，保保护护管管底底部部的的抗抗弯弯截截面面系系数数为为Z，弯弯矩矩对对管管作作用用的的弯弯曲曲应应力力可可用用下式表示：下式表示：=M/Z式中式中Z可根据材料力学由下式求得：可根据材料力学由下式求得：式中，式中，d-保护管内径。保护管内径。由此合并得到弯曲
13、应力由此合并得到弯曲应力：在在使使用用范范围围内内，由由上上式式求求得得的的弯弯曲曲应应力力值值，必必须须在在保保护护管管材材质质允允许许的的范围内，否则将导致保护管损坏。范围内，否则将导致保护管损坏。本讲稿第十三页，共二十三页.压力容器内外压设计计算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。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。容器承受外压作用部件的尺寸和结构。容器
14、承受外压作用与内压容器相同，只是方向相反。在相与内压容器相同，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算方法，在此罗列出需要计算的各个项目：目：本讲稿第十四页，共二十三页表1.4计算种类计算种类 计算项目计算项目 内压圆筒和球壳计算内压圆筒和球壳计算 厚度厚度 热应力热应力 壳壁组合应力校核壳壁组合应力校核 封头设计计算封头设计计算 受内压凸行封头受内压凸行封头 标准椭圆封头标准椭圆封头 碟形封头碟形封头 无折边球形封头无折边球形封头 锥形封头计算锥形封头计算 锥壳厚度锥壳厚度 受内压无折边锥形封头受内压无折边锥形
15、封头 封头大端厚度封头大端厚度 封头小端厚度封头小端厚度 无折边锥形封头厚度无折边锥形封头厚度 受内压折边锥形封头受内压折边锥形封头 封头大端厚度封头大端厚度 封头小端厚度封头小端厚度 折边锥形封头厚度折边锥形封头厚度 平盖计算平盖计算 圆形平盖厚度圆形平盖厚度 非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计算 带法兰的凸形封头带法兰的凸形封头 本讲稿第十五页，共二十三页.失稳现象失稳现象 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，器壁内的应力由单纯的压应力变原形的压扁或折皱现象，器壁内的应力由单纯的
16、压应力变为主要是弯曲应力，此即为失稳现象。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。作压力比临界压力小倍。r（工作压力）（工作压力）Por（临界压力）（临界压力）/m（稳定系数）（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：确定，主要包括：1）压圆筒壳和管子的计算最小壁厚计算；）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；）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。）成型封头（半球形、
17、椭圆形、碟形封头）的计算。本讲稿第十六页，共二十三页3结合超超临界技术参数计算保结合超超临界技术参数计算保护套管是否安全护套管是否安全 根据超超临界环境参数，假设基于温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度测量技术考虑而能适用于3/8英寸测温英寸测温元件用的温度计套管长度确定为元件用的温度计套管长度确定为100mm（约约3.9英寸），被测的过热蒸汽英寸），被测的过热蒸汽温度是温度是565，压力为，压力为25.6MPa(约约3657磅磅/平方英寸平方英寸),流速流速91.4m/s（300英尺英尺/秒），秒），温度计套管材料为温度计套管材料为321型不锈钢，通过计型不锈钢，通过
18、计算套管是否安全。算套管是否安全。本讲稿第十七页，共二十三页3.1通过查阅取得技术参数如下通过查阅取得技术参数如下：符号符号 项目项目 数值数值 v过热蒸汽比容过热蒸汽比容 0.3353立方英寸立方英寸/磅磅 E常温常温 常温时的弹性系数常温时的弹性系数 28.0106磅磅/平方英寸平方英寸 常温时金属的重度常温时金属的重度 0.290磅磅/平方英寸平方英寸 S565时的许用应力时的许用应力 13100磅磅/平方英寸平方英寸 565对常温的频比对常温的频比 0.918本讲稿第十八页，共二十三页3.2自振频率自振频率 a）fn（常常温温）=(2.45/3.92)（28106/0.290）1/2=
19、1576fn=0.9181576=1447b）尾波频率：尾波频率：fw=2.64300/（3/4）=1056c）放大系数放大系数r=fw/fn=1056/1447=0.7290.7290.8（满足要求）满足要求）FM=0.7292/（1-0.7292）=1.133本讲稿第十九页，共二十三页3.3应力计算应力计算 a）最大应力最大应力P=0.33413100=437543753657（满足要求满足要求4375磅磅/平方英寸平方英寸30MP）b）最大应力长度最大应力长度Lmax=42.30.3353（13100-0.2053657）/（1+1.133）1/2=6.23.9故最大长度也满足要求（故最
20、大长度也满足要求（6.2英寸英寸157mm）本讲稿第二十页，共二十三页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 流流体体动动压压力力产产生生的的弯弯曲曲应应力力涉涉及及到到锥锥型型保保护护管管的的具具体体应应用用中中温温度度计计芯芯体体外外径径、顶顶部部底底部部外外径径、插插入入深深度度等等尺尺寸寸，同同样样可可代代入入公公式式进进行行计计算算得得出出具具体体值值，与与保保护护管管材材质质允允许许的的范范围围进进行行比比对对看看是是否否符符合合要要求求，容容器器内内外外压压设设计计计计算算与与压压力力容容器器失失稳稳在在各各种种版版本本的的机机械械设设计计手手册册中中都都能能查查
21、阅阅到到详详细细的的数数据据和和计计算算方方法法，这这里里将将不不在在进进行行详详细细的的数数据据计计算。算。本讲稿第二十一页，共二十三页4结束语结束语 根根据据保保护护管管的的强强度度理理论论计计算算依依据据，初初步步设设计计了了目目前前我我们们将将进进入入超超超超临临界界电电站站领领域域的的测测温温材材料料保保护护套套管管模模型型，为为保保护护套套管管材材料料在在未未来来的的应应用用中中提提供供了了部部分分理理论论计计算算依依据据，还还需需要要继继续续进进一一步步优优化化设设计计方方案案，争争取取让让我我所所的的产产品品早早日日进进入入超超临界电站测温市场。超超临界电站测温市场。本讲稿第二十二页，共二十三页参考文献参考文献 1.ASTMPTC19.3-1974/ANSIPTC19.3-1974美美国国机机械械工工程程师师学学会会仪仪器器与与设设备备特特性性试试验验规规范范M.四四川川省东方锅炉产品质量监督检测站省东方锅炉产品质量监督检测站1988.122.王魁汉王魁汉.温度测量技术温度测量技术M东北工学院出版社东北工学院出版社3.石油化工用特殊热电偶、热电阻石油化工用特殊热电偶、热电阻.仪表材料仪表材料J76.1本讲稿第二十三页，共二十三页