（1华电电力科学研究院中南区域中心 湖北武汉 430062;2 湖南华电常德发电有限公司 湖南常德 4150012;3 华电广东坪石发电有限公司 广东韶关 512229;4华电漯河发电有限公司 河南漯河 462300）
摘 要: 温度测量是大容量火电机组安全经济运行的重要前提和基本保障之一。部分温度测量元件由于处于高温高压高频振动环境，长时间运行易发生磨损、击穿、断裂等危险情况，不仅导致机组紧急停机，还可能威胁工作人员的人身安全。本文通过对高参数火电机组高温高压高频振动环境下测温元件在实际使用过程中发生的一些典型案例和突出问题进行深入分析和研究，提出了一些改进方法和预防措施，具有较好的参考价值。
关键词: 高温高压高频振动；测温元件；可靠性；研究
1 前言
在大容量火电机组中，处于高温高压高频振动环境下的测温元件，在运行中时常发生磨损、击穿、断裂、蒸汽泄漏等危险情况。从已发生的案例看，主要集中在锅炉屏式过热器出口温度、屏式过热器入口温度、高温过热器入口温度、汽机调节级温度、汽机中压缸第一级蒸汽温度等部位。
这些测温元件出现故障，轻则测量不准，重则元件断裂、蒸汽泄漏、机组停运，甚至威胁人身安全。
如果锅炉过热器温度测量元件断裂后掉入锅炉垂直水冷壁出口集箱，将会堵塞蒸汽流通，时间一长可能导致过热器管爆漏；如果汽轮机汽缸蒸汽温度测量元件断裂后掉入汽缸，严重情况下可能引起叶片断裂，威胁汽机安全。特别严重的情况是：从磨损、断裂处漏出的蒸汽表现为一股很细的高压高温汽流，肉眼不易发现；如人员果靠近，就会造成严重的人身伤害。因此对该类故障进行深入的分析和研究，具有非常重要的意义。
2测温元件故障类别及案例
2.1 测温元件磨损
案例1：2010年12月18日，某超临界600MW机组#1锅炉停机检修时发现高过出口温度热电偶外套管头部磨损较为严重。见图1。
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图1 热电偶外套管头部磨损严重
案例2：2007年12月10日，某660MW超临界机组＃1汽机高压缸调节级蒸汽温度的测温元件从缸体引出的补偿导线已被从热电偶外壳处漏出的蒸汽烧成灰黑色。检查发现内套管离末端345mm处被汽流冲蚀磨损,磨损处呈喇叭口状，外大内小。
2.2 测温元件接线盒盖击穿
2010年11月，某660MW超临界直流机组#2锅炉扩建端高过入口蒸汽温度热电偶接线盒端盖被飞出的热电偶芯击穿，热电偶芯从端盖处突出。见图2。
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图2 锅炉扩建端高过入口蒸汽温度热电偶接线盒端盖被飞出的热电偶芯击穿
2.3 测温元件断裂
案例1：2008年12月25日，某600MW超临界机组＃2锅炉75米垂直水冷壁出口集箱温度测点3热电偶外套管断裂，炉管泄漏停机。断裂部分长约300 mm、直径55mm，从60mm的焊接孔掉进直径￠600 mm的垂直水冷壁出口集箱中。见图3。
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图3 从外套管底座焊接处断裂后掉入高温高压蒸汽管道内的热电偶
案例2： 2008年2月12日，某600MW超临界机组#2汽轮机调节级蒸汽温度热电偶套管相继发生故障，热电偶内套管被吹损、断裂，测温元件损坏，测点处漏汽。揭缸检查，发现该测温元件内套管断裂，掉入汽机通流部分。见图4。
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图4 从根部断裂的热电偶
案例3：2011年5月8日 05:52，某600MW超临界#1机组锅炉左侧屏式过热器出口温度测点坏点，经过检查发现元件测量正常，重新紧线后08:53测点显示正常，但测量不准，测量值或偏高或偏低。5月12日04:11测点又一次显示坏点，测量检查发现热电偶元件已坏。7月15日#1机组炉管泄漏停机。温度测量值变化曲线见图5。
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图5 屏式过热器出口温度测点变化曲线
3测温元件故障典型案例研究及处理
3.1某600MW超临界直流炉过热蒸汽温度测温元件断裂分析及处理
3.1.1故障过程
2011年7月12日，#2机组锅炉右侧高温过热器入口温度坏点，手摸热电偶外壳，发现热电偶高频振动，更换热电偶芯子后测量正常。温度测量值变化曲线见图6。
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图6 高温过热器入口温度测点变化曲线1
7月16日13:38测点测量值跳变，检查时发现热电偶元件振动剧烈，且有杂音出现，怀疑元件即将断裂。鉴于元件更换存在高风险性，暂时不处理，加强巡检监视。2011年8月3日，发现此测点热电偶元件有蒸汽泄漏，机组停机。温度测量值变化曲线见图7。
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图7 高温过热器入口温度测点变化曲线2
3.1.2故障检查
检修期间，对该600MW超临界机组#1锅炉高温高压蒸汽温度测量热电偶进行抽样检测，分别为：屏过至高过连接管（减温器前，屏过出口连接管）2支、屏过至高过连接管（减温器后，高过进口连接管）1支、低过至屏过连接管（减温器前，低过出口连接管）1支。
抽样检查情况为：1支在外套管根部焊接处发生断裂，1支外套管顶部已出现变形，1支外套管顶部磨损严重，1支基本正常。
当前使用的热电偶外形如图8所示。
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图8 当前使用的高温高压蒸汽温度测量用热电偶
3.1.3故障原因分析、研究与改进
查阅原热电偶设计蓝图，其示意图如图9所示。
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图9 当前使用的高温高压蒸汽温度测量用热电偶设计示意图
从图9可见：原设计想法是将热电偶外套管顶部（插入蒸汽管道部分）设计为三角形，在管壁接触处卡死。这样热电偶即使断裂也不会掉入蒸汽管集箱内，造成事故扩大。
但从检查的情况看，部分测点的导管由于尺寸、安装等方面原因，未与突台紧密结合，外套管与管壁接触处未能卡死，其顶部与管壁之间存在间隙。运行中高压蒸汽运动冲击外套管顶端，热电偶外套管会随着高温高压蒸汽做高频振动。产生的疲劳应力就会集中在外套管的根部，时间长了就可能断裂。
针对检查情况的分析，对热电偶外套管进行改进如图10所示。
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图10 改进后的高温高压蒸汽温度测量用热电偶设计图及实物
改进后的热电偶外套管具有以下特点：
1、新外套管的管体从底座焊接部分至测量头部设计为一个整体，采用耐磨的特种钢材，增强牢固性和耐磨性。
2、新外套管的头部与蒸汽接触部分从约1/3处开始由原来的棱锥体改为渐变形圆锥体。
3、新外套管管体从底座焊接处往前约2/3处的直径与蒸汽管道开孔直径一致，保证结合紧密，减少蒸汽冲击引起的振动。
4、增加热电偶外套管的直径，增厚了管壁厚度，可以有效降低热电偶长时间受高压蒸汽运动冲击断裂的几率，保证一个运行周期不断裂。
3.2某330MW亚临界汽机高压缸调节级温度元件磨损情况研究及处理
3.2.1 磨损情况
2017年9月18日，某330MW亚临界#1机组大修。对#高压缸进行揭缸检查时，发现调节级蒸汽温度热电偶磨损严重，见图11。
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图11 磨损严重的汽机调节级蒸汽温度热电偶
3.2.2 故障原因分析、研究与改进
查阅汽机厂热电偶内外套管设计蓝图，见图12和图13。
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图12 汽机高压缸调节级蒸汽温度热电偶内套管设计图
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图13 汽机高压缸调节级蒸汽温度热电偶外套管设计图
从图13和图14可见：热电偶外套管固定在内缸上，内套管固定在外缸上，内套管穿过外缸插入外套管内。外套管前半段的内管径为Ф13.49mm，后半段的内管径为Ф19mm，前半段的内管径比后半段的内管径要小。而内套管的外管径为Ф12.96mm。这样当内套管插入外套管时，有可能在外套管前后半段结合处顶住，而不易插到底，影响温度测量。
为增加热电偶抗蒸汽冲刷的强度，减少磨损和断裂的风险，在和汽机厂充分沟通后，进行了以下改进：
1、在不影响汽机原有参数的前提下，适当增加热电偶测点的开孔直径。这样就可以适当增加热电偶套管的壁厚。
2、将外套管前后半段的内管径和外管径尺寸改成一致，这样就可以增加外套管的壁厚。
3、由于热电偶的内芯直径一般在Ф1.0mm左右，适当减少内套管的内管径，而内套管的外管径不变，这样就可以增加内外套管的壁厚。
4 相关监测、处理及预防措施
从统计数据看，随着使用年限的增加，热电偶断裂的几率也在增加，严重时可达到一年两次。因此加强高温高压高频振动处测温元件的日常监测和检修十分重要。根据对多起事件的分析和研究，应当注意以下问题，做好防范措施。
4.1仔细核查高温高压高频振动温度测点取样处的蒸汽管道及管座图纸资料、现场安装方式、焊接方式，认真分析是否存在易磨损、受应力集中的问题；同时建立专项台账。
4.2对处于高温高压高频振动环境、易发生问题的热电偶测量曲线进行重点巡检、监测，观察测点温度变化趋势，及时发现异常情况。
4.3对存在隐患又不能立即整改的，特别是可能有蒸汽外漏的，立即设立隔离警示区，防止无关人员进入；并尽快联系厂家制订解决方案，尽早安排停机处理。
4.4在机组检修期间，对热电偶进行抽检，对有磨损的热电偶及时更换，保证设备处于良好的状态。
4.5新热电偶安装前，内外套管要进行探伤测试，确保热电偶材质合格;并和对应开孔管道的材质匹配。
4.6焊接用焊条材质必须与管道、热电偶的材质匹配，焊接完毕必须进行热处理，确保焊接工艺符合要求。
4.7对照《锅炉安全技术监察规程》《火力发电厂焊接技术规程》及《火力发电厂金属技术监督规程》等行业标准规程的要求，定期进行高温高压取样装置断裂隐患专项排查工作，发现问题及时整改。
5 结论
温度参数的监控对大容量机组的安全运行至关重要。结合运行实际情况，加强对高温高压高频振动环境下测温元件的研究和有效的改进，可以提高测温元件的可靠性，保障机组的安全运行。
致 谢
该文得到了华电广东坪石发电有限公司、华电常德发电有限公司、华电漯河发电有限公司有关同志的大力帮助，在此一并致谢。
参考文献：
[1] 肖大雏．控制设备及系统/国产600MW超临界火力发电机组技术丛书[M]．北京：中国电力出版社， 2006．
[2] 孙奎明，时海刚．热工自动化 [M]．北京：中国电力出版社， 2006．
[3] 朱全利.锅炉设备及系统/国产600MW超临界火力发电机组技术丛书[M]．北京：中国电力出版社，2010
作者简介：
柳长海（1968－ ），男，大学本科，高级工程师。华电电力科学研究院中南区域中心.
刘林波（1970－ ），男，研究生，教授级高工。华电电力科学研究院中南区域中心。
张才稳（1972－ ），男，研究生，教授级高工。华电电力科学研究院中南区域中心。
游松林（1985－ ），男，大学本科，助理工程师。华电湖南常德发电有限公司。
田雨升（1988－ ），男，大学本科，助理工程师。华电广东坪石发电有限公司。
马亮（1986－ ），男，研究生，工程师。华电漯河发电有限公司。
论文作者:柳长海1,刘林波1,张才稳1,游松林2,田雨升3,
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：热电偶论文; 测温论文; 蒸汽论文; 温度论文; 元件论文; 套管论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第21期论文;