熱電偶管斷裂失效分析綜述

摘要：熱電偶套管斷裂是它在實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的失效形式，對(duì)該問(wèn)題的研究方法進(jìn)行歸類說(shuō)明，對(duì)斷裂失效的一般原因加以歸納分析,對(duì)套管斷裂的預(yù)防措施進(jìn)行概括總結(jié)。
       熱電偶是測(cè)溫儀表中常用的感溫元件,在工.業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,它直接測(cè)量介質(zhì)溫度,并實(shí)時(shí)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),再通過(guò)電氣儀表轉(zhuǎn)換為被測(cè)介質(zhì)溫度,以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示、傳輸和控制。由于多用于高溫、高壓、高腐蝕性介質(zhì)及高流速流體沖擊等場(chǎng)合,為保證溫度傳感器正常、安全、穩(wěn)定工作,熱電偶一般均設(shè)有套管保護(hù)川。雖然熱電偶套管的設(shè)計(jì)初衷是為熱電偶的正常工作提供保護(hù),實(shí)際應(yīng)用中也多能起到保護(hù)作用,但從目前熱電偶發(fā)生故障的類型分析發(fā)現(xiàn):套管斷裂仍是常見(jiàn)的失效形式。對(duì)熱電偶套管斷裂的研究方法進(jìn)行歸類說(shuō)明,對(duì)斷裂失效的一般原因加以歸納分析,對(duì)套管斷裂的預(yù)防措施進(jìn)行概括總結(jié)。
1熱電偶套管與容器壁連接
圖1、2分別為一種熱電偶套管結(jié)構(gòu)及其與容器壁連接形式。

2失效分析方法
       對(duì)發(fā)生斷裂的熱電偶套管進(jìn)行分析研究,確立斷裂原因,找到應(yīng)對(duì)措施,--般會(huì)用到宏觀斷口分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相分析和掃描電鏡分析方法。此外，腐蝕評(píng)價(jià)分析、模態(tài)分析和數(shù)值模擬分析在由結(jié)構(gòu)腐蝕、強(qiáng)烈振動(dòng)及流體沖擊等造成的套管斷裂分析中也是常用的方法。

2.1 宏觀斷口分析
       宏觀斷口分析一般用于在對(duì)熱電偶套管斷裂部位不作任何處理或經(jīng)簡(jiǎn)單的超聲波清洗后,確定斷裂區(qū)位置及其附近構(gòu)件整體狀況、斷面形貌特征、尺寸、瞬斷區(qū)與擴(kuò)展區(qū)區(qū)分、斷口顏色分布、斷裂部位平整度、光滑度、斷裂類型、有無(wú)明顯塑性變形、有無(wú)腐蝕斑點(diǎn)及有無(wú)咬邊等焊接缺陷,以建立對(duì)套管斷裂狀況的初步認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步分析研究奠定基礎(chǔ)[2]。圖3為一熱電偶套管斷口宏觀照片,斷口表面平滑光整,并可見(jiàn)疲勞斷裂特有的貝殼狀花紋。.

2.2 化學(xué)成分分析
       在斷裂的熱電偶套管上取塊狀樣品,利用化學(xué)分析或能譜分析方法,對(duì)套管基體材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析,主要確定實(shí)際材料各成分元素含量與牌號(hào)材料的有關(guān)規(guī)范要求是否相符,例如夏明六等對(duì)某斷裂套管不銹鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析[B]發(fā)現(xiàn):其P元素的含量符合該優(yōu)質(zhì)鋼材料的要求;但S元素含量偏高,而S含量的超標(biāo)對(duì)該耐熱鋼的性能危害極大,可能引發(fā)該材料的熱脆性[41) ,高溫持久強(qiáng)度減弱,從而影響套管的使用壽命。
2.3力 學(xué)性能分析
       熱電偶套管的力學(xué)性能分析主要通過(guò)拉伸試驗(yàn)等確定材料實(shí)際力學(xué)性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性.能指標(biāo)要求,文獻(xiàn)[3]中對(duì)某材料為20Cr25Ni20的熱電偶套管進(jìn)行力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn):套管的抗拉強(qiáng)度滿足材料標(biāo)準(zhǔn)性能要求，而塑性低于20Cr25Ni20鋼要求,拉伸試驗(yàn)后試樣出現(xiàn)了-定的塑性變形。
2.4 金相分析
       熱電偶套管斷裂的金相分析常取斷口、焊接點(diǎn)和接頭的金相樣品,經(jīng)碾磨拋光后,用適當(dāng)比例的草酸溶液腐刻,再在顯微鏡下觀察其金相組織，確定基體組織類型、焊接點(diǎn)熔合狀況等。某熱電偶套管金相顯微照片如圖4所示,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)基體組織中碳化物顆粒數(shù)量較多,表明該套管材料的含碳量很高，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)不僅碳化物數(shù)量多,而且其分布還呈明顯帶狀,這將直接危害到鋼材性能，導(dǎo)致材料產(chǎn)生各向異性[5。此外,硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)大量碳化物顆粒相的析出使得熱電偶套管材料發(fā)生了明顯硬化。
2.5 掃描電鏡分析
       掃描電鏡分析一般是在金相分析基礎(chǔ)上借助掃描電子顯微鏡對(duì)斷口微觀形貌作進(jìn)--步的觀察和分析,根據(jù)分析需要,通常要選擇多個(gè)不同的放大倍數(shù)分別進(jìn)行觀察,是判斷裂紋起源位置、擴(kuò)展方向、擴(kuò)展區(qū)大小、瞬斷區(qū)形貌和斷口特征,進(jìn)而評(píng)價(jià)套管斷裂原因的關(guān)鍵步驟。

2.6 腐蝕評(píng)價(jià)分析
       腐蝕評(píng)價(jià)分析并非必須選項(xiàng),只是對(duì)一些存在明顯腐蝕斑點(diǎn),可能是由于腐蝕造成的套管斷裂需要進(jìn)行腐蝕評(píng)價(jià)。此外,對(duì)于一些斷裂未處置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，斷口出現(xiàn)明顯氧化物的熱電偶套管也可能會(huì)進(jìn)行有關(guān)腐蝕分析。.
2.7模態(tài)分析
       熱電偶套管斷裂不少情況都是由于強(qiáng)烈振動(dòng)甚至共振引起的,所以也時(shí)常會(huì)用到模態(tài)分析,模態(tài)分析既可能包括現(xiàn)場(chǎng)模態(tài)測(cè)試,也可能進(jìn)行有限元模態(tài)分析方面的仿真研究,其目的通常都是為了確定結(jié)構(gòu)和流體的各階固有頻率，尤其是對(duì)振動(dòng)影響較大的低階固有頻率,應(yīng)避免結(jié)構(gòu)與流體固有頻率相同或者相近。
2.8 數(shù)值模擬分析
       在模態(tài)分析中提到的利用有限元分析軟件(如ANSYS等)進(jìn)行模態(tài)分析也屬于數(shù)值模擬分析的范疇,但對(duì)于熱電偶套管斷裂以基于計(jì)算流體力學(xué)的方法(即CFD法)進(jìn)行研究的情況也比較常見(jiàn)，如文獻(xiàn)[6]采用大渦模擬方法對(duì)管流沖擊熱電偶套管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,計(jì)算得到了熱電偶套管的受力情況，并通過(guò)對(duì)結(jié)果的進(jìn)一步分析，給出了減小熱電偶套管受力的 有效措施 。
3斷裂原因概述
       熱電偶套管斷裂的原因多種多樣,實(shí)際情況可能也各有不同,根據(jù)實(shí)地調(diào)研、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合相關(guān)資料,對(duì)常見(jiàn)的斷裂原因作了總結(jié):
a.焊接缺陷。對(duì)熱電偶套管斷裂位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),焊接處及其附近是斷裂高發(fā)區(qū)域,這多.與焊接缺陷有關(guān)。文獻(xiàn)[7]在對(duì)一減壓轉(zhuǎn)油線熱電偶套管的斷裂原因進(jìn)行分析時(shí)提到由于焊接質(zhì)量不良,熱影響區(qū)組織不均勻,套管焊接的咬邊缺陷使得外壁根部區(qū)域出現(xiàn)雜質(zhì)偏析，微觀組織也呈現(xiàn)出疏松、空洞等缺陷,在強(qiáng)烈沖擊載荷作用下,產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致熱電偶套管斷裂失效。
b.套管振動(dòng)。連接熱電偶套管的主管路通常充滿流體,如果流體密度較大、流速過(guò)高,并呈現(xiàn)出湍流狀態(tài),便會(huì)在套管附近產(chǎn)生旋渦,當(dāng)旋渦從套管兩側(cè)周期交替脫離時(shí),在套管上會(huì)引起周期變化的升力和阻力，進(jìn)而引起管內(nèi)壓力分布時(shí)刻變化,作用在套管上的流體壓力和方向也不斷變化,最后造成管路振動(dòng)。當(dāng)流體激振頻率與套管固有頻率相近甚至相同時(shí),會(huì)發(fā)生共振。一旦產(chǎn)生強(qiáng)烈共振,套管內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生周期性的交變應(yīng)力,長(zhǎng)時(shí)間承受較大交變應(yīng)力的套管,在一些應(yīng)力較大部位就會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。
C.腐蝕脫落。熱電偶套管常處于高溫、高壓及高濕度等極端環(huán)境和強(qiáng)腐蝕性等介質(zhì)中,套管因?yàn)楦g而發(fā)生斷裂失效的現(xiàn)象也時(shí)常發(fā)生,有些腐蝕可以通過(guò)肉眼直接觀察,有些則需借助金相分析發(fā)現(xiàn),例如晶間腐蝕,存在晶間腐蝕的地方也往往會(huì)成為疲勞斷裂的裂紋源。
d.套管選材不當(dāng)。熱電偶套管對(duì)材料強(qiáng)度、耐極端環(huán)境等要求較高,常見(jiàn)的選材不當(dāng)造成的套管斷裂主要有3種情況,一是材料根本不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求;二是實(shí)際使用材料與設(shè)計(jì)選材不符(這是化學(xué)成分分析中常發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,也是為什么要進(jìn)行化學(xué)成分分析很重要的一個(gè)原因);三是選材側(cè)重強(qiáng)度影響，缺乏耐高溫高壓、耐腐蝕等方面的考慮,或未考慮這些因素的長(zhǎng)期影響。
e.熱電偶安裝位置不當(dāng)。若熱電偶套管斷裂位置發(fā)生在彎頭、孔板、大小頭及閥門(mén)等元器件附近,那極有可能是由于熱電偶安裝位置不當(dāng)造成的,因?yàn)檫@些地方都是產(chǎn)生激振力和能量較為集中的區(qū)域,所以如果不是溫度測(cè)量和控制所必需的,熱電偶的安裝位置應(yīng)盡量避開(kāi)這些區(qū)域。
f. 熱電偶安裝方式不當(dāng)。熱電偶套管如果垂直安裝在管路上,其受力狀態(tài)可以簡(jiǎn)化為一懸壁梁模型,斷口一.般發(fā)生在套管與主管路的連接處,該區(qū)域相當(dāng)于懸壁梁的根部,是受力最大位置,也是容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,所以對(duì)于傾斜安裝也可以滿足使用要求的熱電偶可以選擇以一定的角度傾斜安裝,此外熱電偶套管深人主管路的長(zhǎng)度也是影響其斷裂的重要因素,應(yīng)合理選擇。
4防范措施
       通過(guò)對(duì)熱電偶套管斷裂有關(guān)原因和研究方法的分析,為避免類似故障的頻繁發(fā)生,提出如下一些防范措施:
a.在滿足材料選用一般原則和使用要求的情況下,提高熱電偶保護(hù)套管的材料標(biāo)準(zhǔn),如選用韌性較好、 抗腐蝕能力較強(qiáng)的材料等;
b.嚴(yán)格檢查熱電偶套管的內(nèi)外質(zhì)量、焊接質(zhì)量等,避免因焊接不當(dāng),造成套管材料晶相組織改變,導(dǎo)致接頭部位產(chǎn)生結(jié)晶裂紋;
C.在不影響溫度測(cè)量需要和測(cè)量效果的前提下,合理選擇熱電偶的安裝位置和安裝方式,如改垂直安裝為傾斜安裝,可改變套管的受載情況;
d.選用新型防泄漏熱電偶,這種熱電偶在保護(hù)套管斷裂的情況下仍然具備防止介質(zhì)泄漏的功
能;
e.針對(duì)流致振動(dòng)和共振引起的套管斷裂,可以適當(dāng)采用提高套管阻尼、加大壁厚及減小套管伸出長(zhǎng)度等方法預(yù)防;
f.為了減少套管內(nèi)流體旋渦脫落現(xiàn)象的發(fā)生,可以合理設(shè)計(jì)套管橫截面形狀和采用流線型表面,同時(shí)在成本范圍內(nèi)還可以在套管后安裝旋渦干擾裝置(圖5)。

5結(jié)束語(yǔ)
        熱電偶套管斷裂是熱電偶應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)失效形式,熱電偶套管斷裂的原因多種多樣,如焊接缺陷、套管振動(dòng)、腐蝕脫落、選材不當(dāng)、安裝位置或方式不當(dāng)?shù)仁潜容^常見(jiàn)的原因。
        為避免熱電偶套管斷裂事故的頻繁發(fā)生,可采用科學(xué)選材、合理選擇焊接工藝、合理選擇熱電偶的安裝位置和安裝方式、適當(dāng)提高套管阻尼、合理確定壁厚和伸出長(zhǎng)度、合理設(shè)計(jì)套管橫截面形狀和流線型表面、安裝套管內(nèi)旋渦干擾裝置及選用新型防泄漏熱電偶等方法。