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(huì)導(dǎo)致溫度信號(hào)丟失，嚴(yán)重時(shí)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(tái)600MW汽輪機(jī)機(jī)組（廠內(nèi)編號(hào)6號(hào)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(jí)蒸汽溫度，其熱電偶套管伸入缸內(nèi)直至調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉后面。由于高壓缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)級(jí)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(jí)動(dòng)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
近日6號(hào)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷350MW，主蒸汽溫度537℃、壓強(qiáng)13MPa，再熱蒸汽溫度536℃、壓強(qiáng)1.79MPa，凝汽器真空Ａ側(cè)壓強(qiáng)98kPa，Ｂ側(cè)壓強(qiáng)99kPa，機(jī)組各軸瓦（包括推力軸瓦）溫度、振動(dòng)均顯示正常，潤滑油油溫正常，主機(jī)軸向位移+0.27mm，正常。時(shí)間：19：21：33，6號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)跳閘，鍋爐MFT，跳閘原因顯示為汽輪機(jī)軸向位移超過ETS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(hào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)歷史曲線，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)跳閘前，時(shí)間：19：21：33主機(jī)軸向位移由+0.25mm逐漸減小，時(shí)間：19：22：03，2號(hào)軸瓦振動(dòng)瞬時(shí)突升至X向97.42μm，Y向89.56μm后回落。時(shí)間：19：22：54，軸向位移從-0.22mm瞬間大幅變化，最大至-1.85mm。時(shí)間：19：23：02，6號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)跳閘，此時(shí)軸向位移又瞬時(shí)變化至+0.25mm。時(shí)間：19：23：15，推力軸瓦非工作面瓦塊溫度最高升至123.9℃。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(jí)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3所示。
圖1 左側(cè)內(nèi)套管斷裂
圖2 左側(cè)外套管斷裂
圖3 右側(cè)套管斷裂
2.2 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉出汽邊嚴(yán)重變形
檢查還發(fā)現(xiàn)所有調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)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(jí)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(jí)動(dòng)葉，且在轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，連續(xù)撞擊葉片從而導(dǎo)致如此變形。
圖4 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)葉片損壞
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(shí)運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)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(jí)蒸汽熱電偶套管發(fā)生脫落后撞擊調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉，導(dǎo)致整圈動(dòng)葉嚴(yán)重變形，調(diào)節(jié)級(jí)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(jí)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(shí)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(jí)動(dòng)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0.05mm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，最終發(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(jí)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(jí)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(jí)動(dòng)葉方向的彎折，并與調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)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(dòng)或者套管、缸體測溫孔尺寸不正確等影響因素，剩余最有可能的原因是內(nèi)外缸測溫孔在基建加工時(shí)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(jí)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獨(dú)加工改為總裝時(shí)號(hào)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(shí)，所有熱電偶套管在總裝時(shí)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(shí)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。
該措施最大的優(yōu)點(diǎn)是即使調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶套管發(fā)生斷裂，也不會(huì)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(shí)多出的一層保護(hù)套管降低了調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫度測量的準(zhǔn)確性。
4.3 調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶雙層套管改為單撓性套管
將調(diào)節(jié)級(jí)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10.5mm的厚度，這樣保證了調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽不會(huì)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，與熱電偶整體加工而成。單撓性套管安裝時(shí)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。
首先，該措施簡化了調(diào)節(jié)級(jí)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(dòng)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(jí)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。
5、結(jié)論
調(diào)節(jié)級(jí)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(jí)熱電偶套管的脫落會(huì)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(jí)蒸汽熱電偶套管由雙層保護(hù)套管改為單個(gè)撓性套管（內(nèi)缸測溫孔為盲孔）具有諸多優(yōu)點(diǎn)，是最為安全可靠的方案。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。
《熱電偶套管脫落致汽輪機(jī)故障的原因分析及改進(jìn)措施》作者：浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司 韓亮，1974年出生，男，畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)，本科，工程師，從事電廠汽輪機(jī)設(shè)備檢修維護(hù)管理工作。
