熱電偶套管套在熱電偶元件外面， 用來抵御被測介質(zhì)的壓力和腐蝕。為測量汽輪機(jī)內(nèi)部蒸汽的溫度， 通常將熱電偶套管伸入汽缸內(nèi)部進(jìn)行測量， 以取得較為準(zhǔn)確的數(shù)值。但由于汽缸內(nèi)蒸汽壓強(qiáng)大、 流速快， 熱電偶套管處于極惡劣的工況下， 因此經(jīng)常發(fā)生損壞， 這不僅會導(dǎo)致溫度信號丟失， 嚴(yán)重時甚至?xí)＜捌啓C(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行。
本文將分析汽輪機(jī)熱電偶套管損壞的原因， 并對熱電偶套管的改進(jìn)措施進(jìn)行探討， 這對同類型汽輪機(jī)機(jī)組熱電偶套管的改造工作具有指導(dǎo)意義。
１、設(shè)備介紹
某電廠 １ 臺 ６ ０ ０ＭＷ 汽輪機(jī)機(jī)組（ 廠內(nèi)編號 ６號機(jī)） 為國產(chǎn)引進(jìn)型高中壓合缸、 單軸四缸四排汽凝汽式機(jī)組。由安裝在高壓外缸上半部分左側(cè)、 右側(cè)的 ２ 支熱電偶元件來測量調(diào)節(jié)級蒸汽溫度， 其熱電偶套管伸入缸內(nèi)直至調(diào)節(jié)級動葉后面。由于高壓缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)， 調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶保護(hù)套管設(shè)計(jì)成雙層保護(hù)套管形式， 俗稱內(nèi)外套管。其中，外套管固定在高壓內(nèi)缸上， 并伸至隔板套內(nèi)調(diào)節(jié)級動葉后。內(nèi)套管則固定在外缸上， 并伸入外套管內(nèi)， 兩套管軸向保留 ６ ． ５ｍｍ 的膨脹間隙。
２、故障現(xiàn)象
２ ０ １ ５ 年 ４ 月 ２ ３ 日 １ ９∶２ ０ ， ６ 號機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷３ ５ ０ＭＷ ， 主蒸汽溫度５ ３ ７℃ 、 壓強(qiáng)１ ３ＭＰ ａ， 再熱蒸汽溫度５ ３ ６℃ 、 壓強(qiáng)１． ７ ９ＭＰ ａ ， 凝汽器真空Ａ 側(cè)壓強(qiáng)９ ８ｋ Ｐ ａ ， Ｂ 側(cè)壓強(qiáng)９ ９ｋ Ｐ ａ ， 機(jī)組各軸瓦（ 包括推力軸瓦） 溫度、 振動均顯示正常， 潤滑油油溫 正 常，主 機(jī) 軸 向 位 移 ＋０． ２ ７ ｍｍ ，正 常。
１ ９∶２ ３∶０ ２ ， ６號機(jī)組汽輪機(jī)跳閘， 鍋爐 ＭＦ Ｔ， 跳閘原因顯示為汽輪機(jī)軸向位移超過 Ｅ Ｔ Ｓ主機(jī)位移保護(hù)跳機(jī)值（ ＋１． ０ｍｍ ／ －１． ０ｍｍ ） 。停機(jī)過程中， 汽輪機(jī)缸體、 軸封、 軸瓦沒有明顯異聲。
事后檢查 ６ 號機(jī)組運(yùn)行參數(shù)歷史曲線， 發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī) 跳 閘 前， １ ９∶２ １∶３ ３ 主 機(jī) 軸 向 位 移 由＋０． ２ ５ｍｍ 逐漸減小， １ ９∶２ ２∶０ ３ ， ２ 號軸瓦振動瞬時突升至 Ｘ 向９ ７． ４ ２μ ｍ ，Ｙ 向６ ９． ５ ６ μ ｍ 后回落。 １ ９∶２ ２∶５ ４ ， 軸向位移從－０． ２ ２ｍｍ 瞬間大幅變化， #大至－１． ８ ５ｍｍ 。 １ ９∶２ ３∶０ ２ ，６號機(jī)
組汽 輪 機(jī) 跳 閘， 此 時 軸 向 位 移 又 瞬 時 變 化 至＋０． ２ ５ｍｍ 。 １ ９∶２ ３∶１ ５ ， 推力軸瓦非工作面瓦塊溫度#高升至１ ２ ３． ９℃ 。
根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化， 初步斷定汽輪機(jī)通流部分發(fā)生故障， 造成了轉(zhuǎn)子推力異常變化， 推力軸瓦非工作面瓦塊磨損， 因此申請機(jī)組調(diào)停檢查。
停機(jī)后， 對高壓缸解體檢查， 發(fā)現(xiàn)有下文所述的缺陷。
２． １ 調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶保護(hù)套管嚴(yán)重?fù)p壞
解體后發(fā)現(xiàn)左側(cè)（ 從機(jī)頭往機(jī)尾看） 內(nèi)、 外套管都已完全斷裂脫落， 內(nèi)套管掉落在內(nèi)外缸之間，外套管掉落在高壓內(nèi)缸測溫孔內(nèi)。右側(cè)內(nèi)外套管頭部也已損壞， 發(fā)生了折斷現(xiàn)象。斷裂情況如圖１
、 圖２、 圖３所示。
此外， 從高壓隔板套內(nèi)找到了多塊金屬殘骸，這些殘骸內(nèi)部空心， 確認(rèn)其為調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶套管脫落部分。同時， 在高壓第 １ 級靜葉前的隔板套內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)密密麻麻的凹坑， 包括第 １ 級靜
葉進(jìn)汽邊， 而高壓靜葉柵內(nèi)粘附著許多金屬碎屑。
由此可推斷， 調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶套管發(fā)生斷裂脫落后， 在汽流推動下與周圍物體多次發(fā)生撞擊， 并在撞擊過程中發(fā)生解體， 小尺寸的金屬碎屑隨蒸汽進(jìn)入高壓葉柵通道， 并部分附著在表面， 大尺寸的套管殘骸留在了第 １ 級前的高壓隔板套內(nèi)。
２． ２ 調(diào)節(jié)級動葉出汽邊嚴(yán)重變形
檢查還發(fā)現(xiàn)所有調(diào)節(jié)級動葉片出汽邊均發(fā)生嚴(yán)重變形， 如圖 ４ 所示。每片葉片的出汽邊背弧面向內(nèi)凹陷變形嚴(yán)重， 葉片的葉頂、 葉根處甚至出現(xiàn)了開裂， 背弧面的出汽邊均有刮擦的痕跡。從調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶套管的位置來看，右側(cè)套管發(fā)生彎折后很有可能撞擊調(diào)節(jié)級動葉， 且在轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)時， 連續(xù)撞擊葉片從而導(dǎo)致如此變形。
２． ３ 推力軸瓦非工作面瓦塊完全磨損
解體推力軸瓦， 發(fā)現(xiàn)非工作面（ 機(jī)頭側(cè)） 瓦塊表面鎢金全部磨損熔化， 瓦塊見基材， 而工作面瓦塊未發(fā)現(xiàn)異常。檢查轉(zhuǎn)子推力盤， 有清楚的整圈摩擦痕跡， 但沒有溝槽、 劃痕等缺陷。
３、原因分析
３． １ 汽輪機(jī)故障過程分析
結(jié)合機(jī)組故障時運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生的時間順序及高壓缸解體情況分析， 得出以下結(jié)論： 此次汽輪機(jī)故障的過程是調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶套管發(fā)生脫落后撞擊調(diào)節(jié)級動葉， 導(dǎo)致整圈動葉嚴(yán)重變形， 調(diào)節(jié)級汽流通道面積明顯減小， 使得軸系反向推力大幅增大， 造成推力軸瓦非工作面瓦塊過載， 鎢金磨損， 轉(zhuǎn)子軸向位移超過了機(jī)組跳閘保護(hù)值。
查閱調(diào)節(jié)級蒸汽左、 右 ２ 支溫度測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)可知， 左側(cè)熱電偶數(shù)據(jù)在此次汽輪機(jī)故障前早已失去， 即左側(cè)內(nèi)外套管早已發(fā)生損壞， 而右側(cè)熱電偶數(shù)據(jù)正是在這次故障時失去的， 證明右側(cè)熱電偶套管是被左側(cè)套管脫落的殘骸撞擊頭部后發(fā)生彎折的， 隨后其與高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)級動葉發(fā)生撞擊。
３． ２ 熱電偶套管脫落原因
從圖 ２ 可知， 左側(cè)外套管斷面內(nèi)孔呈橢圓形，斷口截面各處寬度差別明顯， 由此可確認(rèn)左側(cè)外套管運(yùn)行中內(nèi)壁受到了長期的單側(cè)磨損， 局部管壁由此減薄。此外， 斷口位于套管變徑處， 斷口以
上套管部分與高壓內(nèi)缸測溫孔成 ０． ０ ５ｍｍ 的過盈配合， 斷口以下部分則有一定間隙， 所以形成了所謂“ 懸臂梁” 結(jié)構(gòu)， 蒸汽流對伸入高壓隔板套內(nèi)的那段套管表面的沖刷力是不平穩(wěn)的， 在套管變徑斷口處產(chǎn)生極大的交變應(yīng)力， 再加上此處管壁減薄， #終發(fā)生斷裂、 脫落。隨后， 內(nèi)套管在失去外套管的保護(hù)后受到高壓汽流的沖刷， 因?yàn)閮?nèi)套管強(qiáng)度遠(yuǎn)不及外套管， 且內(nèi)套管伸入高壓內(nèi)缸以下的部分同樣也是懸臂梁結(jié)構(gòu)， 所以內(nèi)套管也發(fā)生折斷、 脫落。脫落的內(nèi)外套管殘骸落在調(diào)節(jié)級后的隔板套內(nèi)， 受汽流的沖刷， 和周圍的高壓轉(zhuǎn)子、 高壓隔板套、 高壓第 １ 級靜葉發(fā)生了雜亂無章的撞擊， 期間撞擊右側(cè)外套管， 使其頭部發(fā)生朝調(diào)節(jié)級動葉方向的彎折， 并與調(diào)節(jié)級動葉發(fā)生撞擊。
左側(cè)外套管內(nèi)壁長期受到碰磨的主要原因是內(nèi)、 外套管安裝不同心。我們可以排除內(nèi)外缸體的相互移動或者套管、 缸體測溫孔尺寸不正確等影響因素， 剩余#有可能的原因是內(nèi)外缸測溫孔在基建加工時就存在不同心， 這可能與測溫孔中心定位方法和鉆孔的準(zhǔn)確度不夠有關(guān)。
４、改進(jìn)措施及探討
針對調(diào)節(jié)級熱電偶套管易斷裂脫落的問題，提出了以下幾種改進(jìn)措施。
４． １ 控制缸體測溫孔加工質(zhì)量
對于新加工的機(jī)組， 嚴(yán)格控制加工質(zhì)量。工藝上將各缸體測溫孔從單好加工改為總裝時號鉆， 從而從根本上避免出現(xiàn)各缸體相同測溫孔不同心的問題， 同時， 所有熱電偶套管在總裝時進(jìn)行試裝配， 不把問題遺留在現(xiàn)場 。
該措施不僅從工藝上對缸體測溫孔開孔進(jìn)行了規(guī)范， 而且強(qiáng)調(diào)其在制造廠總裝時進(jìn)行， 以制造廠較高的加工質(zhì)量來保證新機(jī)組缸體測溫孔加工的準(zhǔn)確性， 與電廠現(xiàn)場加工相比， 質(zhì)量上更有保證， 但不能完全避免熱電偶套管再次發(fā)生脫落。
４． ２ 高壓隔板套上增加熱電偶保護(hù)套在高壓隔板套測溫孔上加工出螺紋， 然后將另外加工好的保護(hù)套安裝在螺紋孔上， 并焊接 。
該措施#大的優(yōu)點(diǎn)是即使調(diào)節(jié)級熱電偶套管發(fā)生斷裂， 也不會脫落撞擊到汽輪機(jī)葉片， 但隔板套測溫孔上螺紋加工困難， 同時多出的一層保護(hù)套管降低了調(diào)節(jié)級蒸汽溫度測量的準(zhǔn)確性。
４． ３ 調(diào)節(jié)級熱電偶雙層套管改為單撓性套管將調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶套管由原先的雙層剛性保護(hù)套管改為單撓性套管， 但套管不穿透高壓內(nèi)缸， 內(nèi)缸上的測溫盲孔的孔底距缸體內(nèi)壁保留１ ０． ５ｍｍ 的厚度， 這樣保證了調(diào)節(jié)級后蒸汽不會通過內(nèi)缸測溫孔泄漏。套管上段有一波紋節(jié)和一片法蘭， 與套管整體加工而成。單撓性套管安裝時通過法蘭與另一片焊接在高壓外缸上的法蘭進(jìn)行連接固定。
shou先， 該措施簡化了調(diào)節(jié)級熱電偶套管的結(jié)構(gòu)形式， 減少了套管安裝環(huán)節(jié)， 避免了雙層套管之間因安裝不同心產(chǎn)生碰磨的問題， 使保護(hù)套管損壞率下降。其次， 高壓內(nèi)缸測溫孔為盲孔， 可完全防止套管發(fā)生脫落后撞擊到汽輪機(jī)葉片， 比在高壓隔板套上加裝保護(hù)套管更可靠。第三， 有分析指出， 共振是熱電偶套管斷裂的主要原因 ， 套管上的波紋節(jié)可改變套管固有的振動頻率， 避免發(fā)生共振， 防止保護(hù)套管損壞。第四， 雖然單撓性套管未直接接觸到調(diào)節(jié)級后蒸汽， 溫度測量的準(zhǔn)確性受到影響， 但是單層保護(hù)套管能夠比雙層套管更準(zhǔn)確地測量溫度， 因此二者因素相互抵消， 單撓性套管對測量準(zhǔn)確性的負(fù)面影響有限。
調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶雙層保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)形式以及高壓內(nèi)外缸測溫孔加工的不同心是導(dǎo)致熱電偶套管碰磨損壞脫落， 進(jìn)而撞擊汽輪機(jī)葉片的主要原因。它始終是影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行的隱患。
事實(shí)證明， 調(diào)節(jié)級熱電偶套管的脫落會對汽輪機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。本文通過比較認(rèn)為， 調(diào)節(jié)級蒸汽熱電偶套管由雙層保護(hù)套管改為單個撓性套管（ 內(nèi)缸測溫孔為盲孔） 具有諸多優(yōu)點(diǎn)， 是#為安全可靠的方案。由此證明， 為了徹底排除隱患， 應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施， 這對汽輪機(jī)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。
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