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　　引言
　　
　　超超臨界發(fā)電機(jī)組是當(dāng)今世界上一項(xiàng)既成熟又不斷發(fā)展的火電技術(shù)，其采用提高蒸汽的壓力、溫度和中間再熱技術(shù)等方式來(lái)提高發(fā)電效率，熱效率達(dá)46%-50%，較亞臨界機(jī)組熱效率（41％-45%）有大幅度提高。所以，采用超超臨界發(fā)電技術(shù)是提高煤電機(jī)組發(fā)電效率的主要技術(shù)方向。蒸汽參數(shù)的提高，使鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)與輔機(jī)等方面的測(cè)溫工質(zhì)情況發(fā)生了很大的變化，尤其是被測(cè)介質(zhì)蒸汽管道中測(cè)溫工質(zhì)情況的變化對(duì)溫度傳感器提出了新的要求。本文以保護(hù)管為例，根據(jù)材料力學(xué)的方法，就超超臨界發(fā)電機(jī)組溫度傳感器的強(qiáng)度安全性進(jìn)行了分析。
　　
　　一、溫度測(cè)量保護(hù)管
　　
　　1.1保護(hù)管的作用
　　
　　保護(hù)管是用來(lái)保護(hù)感溫元件不受機(jī)械損傷和介質(zhì)化學(xué)腐蝕的裝置，屬于接觸式測(cè)量溫度儀表，在生產(chǎn)過(guò)程的溫度測(cè)量中，通常是將它直接與被測(cè)量對(duì)象接觸，以保證感溫元件使用的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。
　　
　　1.2對(duì)保護(hù)管的基本要求
　　
　　根據(jù)溫度計(jì)保護(hù)管在超超臨界工況條件下所起的作用，它應(yīng)具備以下特性。
　　
　?、倌透邷兀杭丛跍y(cè)量溫度上限使用時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生變質(zhì)和變形，同時(shí)，在高溫下受氧化性氣氛或還原性氣氛的作用影響較小，并且有一定的使用壽命。
　　
　?、谀透g：在用于酸或堿以及在有腐蝕性的介質(zhì)中時(shí)，應(yīng)能保證一定的使用壽命。
　　
　　③熱傳導(dǎo)性能好：熱導(dǎo)系數(shù)大的材料，可以減小感溫元件的時(shí)間常數(shù)，達(dá)到響應(yīng)時(shí)間快的目的。
　　
　?、軞饷芊夂茫阂苑乐雇饨缬泻怏w的侵人，從而避免影響感溫元件使用的可靠性和使用壽命。
　　
　?、菽蜏匦院茫焊袦卦诠ぷ髦型嬖跍囟鹊臎_擊，因此，要求保護(hù)管材料能承受溫度的劇變而不損壞。
　　
　?、迯?qiáng)度好：保護(hù)管應(yīng)能承受其在實(shí)際工況條件下所受到的溫度、壓力和流速影響而不被破壞，且具有一定的安全裕度。
　　
　　在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)上述要求來(lái)進(jìn)行保護(hù)管的選擇。
　　
　　1.3保護(hù)管的常用材料
　　
　　感溫元件保護(hù)管常用的材料可分為金屬和非金屬兩大類，用戶可根據(jù)其特點(diǎn)和用途選用。溫度保護(hù)管材料選用ICr18NigTi，其zui高工作溫度可達(dá)800℃，在高溫下具有良好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性能；具有足夠的蠕變斷裂強(qiáng)度和很好的抗高溫腐蝕性能，特別對(duì)磷酸和硝酸有很好的耐腐蝕性能。目前，大量的感溫元件保護(hù)套管采用的是ICr18NigTi，它廣泛地應(yīng)用于石油、化工、電站以及其他工業(yè)的加熱爐、退火爐等溫度測(cè)量，但在高溫下抗還原性較差。
　　
　　1.4保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　
　　為了得到正確的溫度測(cè)量結(jié)果，感溫元件保護(hù)管的zui小插人長(zhǎng)度應(yīng)是保護(hù)管直徑的六倍以上，結(jié)構(gòu)形式視實(shí)際工況而定。在超超臨界發(fā)電機(jī)組中，主蒸汽管道等承壓管道溫度測(cè)量用保護(hù)管一般采用錐型整體鉆孔管，安裝結(jié)構(gòu)采用焊接式。
　　
　　二、保護(hù)套管的相關(guān)計(jì)算
　　
　　為了確保保護(hù)管的安全使用，避免發(fā)生事故，使用者應(yīng)在使用前根據(jù)使用條件進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐振動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算。下面就以超超臨界發(fā)電機(jī)組中主蒸汽管道選用的保護(hù)套管（保護(hù)套管結(jié)構(gòu)形式、直徑和長(zhǎng)度已經(jīng)確定錐型保護(hù)管根部直徑39mm、錐型保護(hù)管頂部直徑23mm、錐型保護(hù)管內(nèi)孔直徑6.5mm、長(zhǎng)度150mm為例，運(yùn)用材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。
　　
　　2.1計(jì)算時(shí)的假定
　　
　　為了便于對(duì)保護(hù)管進(jìn)行計(jì)算，預(yù)先給出下列假定
　　
　?、俪惺芫嫉妮d荷：保護(hù)管作為懸臂梁，沿其軸向（即管道徑向）均勻地受到以中心zui大流速所產(chǎn)生的zui大壓力；
　　
　?、趦H受外壓，內(nèi)壓等于0：即保護(hù)管僅受到外壓作用，管內(nèi)沒(méi)有壓力；
　　
　　③阻尼因素為0：保護(hù)管為無(wú)阻尼的強(qiáng)迫振動(dòng)；
　　
　　④卡門渦流形成的力等于流速壓力；
　　
　　⑤保護(hù)管工作時(shí)所承受的zui大外壓為40MPa，zui高溫度為650℃，zui大流速為100m/s，測(cè)溫介質(zhì)為蒸汽；
　　
　?、薇Ｗo(hù)管安裝結(jié)構(gòu)：焊接。
　　
　　2.2保護(hù)管強(qiáng)度計(jì)算
　　
　　保護(hù)管的結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受流體壓力（靜壓力）產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和曳動(dòng)阻力（動(dòng)壓力）的作用。金屬材料的保護(hù)管通常為塑性材料，根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，垂直應(yīng)力可按下式計(jì)算：　　
　　厚壁圓筒的承壓應(yīng)力如下。　　
　　當(dāng)溫度保護(hù)套管受外壓為P2、內(nèi)壓為P1=0時(shí)，徑向應(yīng)力為:　　由此可得，在錐型管沿高的任何外表面的應(yīng)力恒等于外壓的負(fù)值，受到的周（切）向應(yīng)力為：　　由式（6）可知，溫度保護(hù)套管根部?jī)?nèi)、外壁及頂部?jī)?nèi)、外壁應(yīng)力計(jì)算值及周向應(yīng)力沿長(zhǎng)度（mm）如表1所示。表中應(yīng)力均為壓應(yīng)力，即帶有“一”號(hào)。　　
　　①保護(hù)管外徑處不同長(zhǎng)度（0-1500mm）的應(yīng)力計(jì)算如下：　　
　?、诓煌L(zhǎng)度保護(hù)管軸向應(yīng)力計(jì)算如下（長(zhǎng)度為150mm）:　　
　　由式（8）可知，軸向應(yīng)力在根部應(yīng)力zui小為-41.1429MPa。對(duì)于不同長(zhǎng)度的錐體，當(dāng)大頭直徑和小頭直徑為定值時(shí)，錐形套管具有相同的外直徑處其應(yīng)力也相同。所以，不同規(guī)格長(zhǎng)度的溫度套管頂部的軸向應(yīng)力均為-43.47MPa。
　　
　?、鄄煌L(zhǎng)度溫度套管沿長(zhǎng)度軸向應(yīng)力變化計(jì)算如下:　　在保護(hù)套管各處只受外壓作用時(shí)（無(wú)流體的動(dòng)壓力作用時(shí)），經(jīng)過(guò)嚴(yán)格推導(dǎo)得出：　　式中：r1為所求保護(hù)管橫截面的內(nèi)半徑，m;r2為所求保護(hù)管橫截面的外半徑，m;r為所求保護(hù)管橫截面任意半徑，m;P2為保護(hù)套管外蒸汽壓力，MPa。
　　
　　當(dāng)溫度保護(hù)套管在管內(nèi)受到流體動(dòng)壓作用力時(shí)，不能用式（12）計(jì)算。這是因?yàn)橛瓉?lái)流側(cè)受到流體動(dòng)壓作用力，產(chǎn)生的力受拉應(yīng)力作用，抵消一部分壓應(yīng)力，背來(lái)流一側(cè)受到動(dòng)壓的作用力，產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，從而使應(yīng)力與外壓作用的壓應(yīng)力疊加。
　　
　?、芰黧w動(dòng)壓力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力保護(hù)套管應(yīng)能承受管道內(nèi)流體的動(dòng)壓力作用。保護(hù)管可視為一懸臂梁，根據(jù)材料力學(xué)可按照式（13）計(jì)算：　　
　　保護(hù)套管在管導(dǎo)中受動(dòng)壓力的作用，在危險(xiǎn)斷面所造成的彎矩為：　　
　　根據(jù)材料力學(xué)理論，保護(hù)套管危險(xiǎn)斷面的抗彎截面系數(shù)W可用下式計(jì)算:　　若上式中求M用溫度保護(hù)套管的總長(zhǎng)度，則對(duì)應(yīng)的根部截面就是危險(xiǎn)截面。另外，值得注意的是，溫度保護(hù)套管上的抗彎應(yīng)力有正負(fù)之分，在來(lái)流側(cè)受拉應(yīng)力取“+”，背來(lái)流側(cè)受壓應(yīng)力取“-”。　　
　　保護(hù)套管在管道中受動(dòng)壓力的作用，在危險(xiǎn)斷面所造成的彎矩為：　　
　　當(dāng)長(zhǎng)度L＝1500mm時(shí)，保護(hù)管某一截面處的截面系數(shù)由下式計(jì)算可得:　　
　　考核靜應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，以根部截面應(yīng)力為考核指標(biāo)。根部截面合成應(yīng)力如表2所示。考慮到氣流推力的彎距和剪切，在截面相對(duì)氣流的上下游分別產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。因此，上游（內(nèi)側(cè)1、外側(cè)l）軸向拉應(yīng)力是抵消的，而下游（內(nèi)側(cè)2、外側(cè)2）軸向拉應(yīng)力是增加的。　　
　　表2計(jì)算結(jié)果表明，按照第四強(qiáng)度理論，溫度計(jì)套管V-Miseszui大應(yīng)力為72.06MPa。　　
　　當(dāng)改變保護(hù)管參數(shù)（可以一次改變一個(gè)參數(shù)，也可以同時(shí)改變多參數(shù)）后，需重新進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，直至滿足溫度計(jì)套管的靜應(yīng)力安全系數(shù)大于1.5，使保護(hù)管處于安全狀態(tài)。
　　
　　三、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　本文基于超超臨界工作條件，對(duì)的溫度傳感器保護(hù)管壓力進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，既提供了強(qiáng)度計(jì)算的方法，又對(duì)保護(hù)管的設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)建議，從而說(shuō)明了超超臨界發(fā)電機(jī)組用溫度傳感器保護(hù)管進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的必要性。通過(guò)計(jì)算可以進(jìn)行保護(hù)管安全性驗(yàn)證，保證保護(hù)管的安全使用。除了本文介紹的保護(hù)管強(qiáng)度計(jì)算外，讀者還可按ASMEPTC19.3對(duì)保護(hù)管進(jìn)行頻率驗(yàn)證。