高溫高壓條件下新型熱電偶密封結構分析與研究

（中核武漢核電運行技術有限公司，武漢 430223）

高溫高壓條件下新型熱電偶密封結構分析與研究

劉妍,施少波,葉景松,王艷芝

（中核武漢核電運行技術有限公司，武漢 430223）

常用的高溫高壓熱電偶是采用護套的安裝方式，護套很厚使得溫度測量的響應速度以及準確度大大降低。文章提出了一種新型的適用于高溫高壓管道的自緊式熱電偶密封結構，該結構不需要使用保護護套，熱電偶可直接與管道內介質接觸，提高響應速度，減小測量誤差。為驗證該結構設計的合理性，通過有限元法對該結構進行了密封性和熱應力的分析，計算結果表明該結構最少能夠滿足15MPa，350℃條件下使用的要求且不會發生密封螺紋的咬死問題。同時，對該結構試件進行了冷態以及熱態驗證試驗。試驗結果表明，該結構能夠承受70MPa的冷態靜壓以及滿足15MPa，344℃的運行環境要求。

高溫高壓;熱電偶;熱應力;自緊式密封

0 引言

日前，在進行模擬核電站的高溫高壓試驗臺架測量設計過程中遇到一個難題：按照《HG/T20507-2000自動化儀表選型設計規定》要求，試驗管道上（熱態15MPa，350℃）的熱電偶應選用整體鉆孔直形或錐形保護護套管，這種結構的熱電偶響應時間較長（60s～120s），不滿足實際需求，其原因在于保護護套管的直徑較粗，壁厚較厚，熱電偶與介質沒有直接接觸。為提高測溫的響應時間，便于儀表的安裝與拆卸，本文提出了一種新型的熱電偶結構。

本文采用線密封加活套螺紋的方式形成一種自緊式密封結構，該結構不需要墊片，也不需要使用保護護套，熱電偶可直接與管道內介質接觸。計算結果表明，該結構能滿足密封和強度要求，針對該結構進行的冷態水壓試驗顯示，在70MPa的高壓下，結構并未發生泄露和損壞。

1 熱電偶密封結構

普通螺紋連接方式的熱電偶結構如圖1所示，其密封依靠于螺紋尺寸和平面墊片。本文借鑒凸鏡墊片形式，將弧面與錐面相切的線密封融合到熱電偶的結構中，如圖2所示。采用該結構的熱電偶本體上具有一定的圓弧度，熱電偶安裝接管上部為一錐面，圓弧和錐面有一個切點，在外活套螺紋的作用下，熱電偶本體與熱電偶接管貼合成一條線，線密封比面密封的單點作用力大，有利于高壓下的密封。

新型熱電偶包括活套螺紋、熱電偶本體以及熱電偶安裝座3部分，熱電偶安裝座焊接在回路管道上，熱電偶本體在活套螺紋的作用下，與熱電偶安裝座實現貼合密封，保證不發生介質泄露。試驗回路管段采用的是P91材質，而常規不銹鋼材質與P91的熱膨脹系數相差較遠，為方便安裝與焊接，熱電偶安裝座與活套螺紋均采用與管道同樣的材質，熱電偶本體采用不銹鋼材質，在高溫情況下，不銹鋼

圖 1 普通螺紋連接方式的熱電偶Fig.1 Common thread connecting method of thermocouple

圖 2 新型熱電偶結構Fig.2 New thermocouple

圖 3 新型熱電偶計算模型Fig.3 The new model for calculating the thermocouple

圖4 模型放大效果Fig.4 Model amplification

圖 5 彈性計算螺紋接觸處的應力MPaFig.5 The stress of the elastic computing thread contact of MPa

圖 6 塑性計算熱電偶接觸壓力MPaFig.6 Plastic to solve the contact pressure thermocouple MPa

圖 7 冷態水壓試驗結果Fig.7 Cold water pressure test results

圖 8 熱態性能試驗裝置Fig.8 Thermal state performance test device

圖 9 熱態試驗結果（X軸為時間，單位為分鐘）Fig.9 Thermal state test results (X axis as the time, the unit is minutes)

材質的熱膨脹系數大于P91的熱膨脹系數，熱電偶本體與熱電偶安裝座的貼合會愈發緊實，實現自緊式密封。

2 計算驗證

本文計算工況內壓為15MPa，溫度為350℃。由于對熱電偶密封螺紋并沒有明確的預緊力施加要求，球型線密封也沒有明確的密封泄漏的評定標準，為了計算方便，本文以GB150的常規法蘭不銹鋼墊片為基礎，以不銹鋼法蘭墊片

的密封比壓需要的預緊力來推算球型密封的預緊力。相對于法蘭墊片，熱電偶的球型線密封由于內外材料膨脹系數不一樣，在升溫過程密封會更緊，因此利用法蘭墊片的密封比壓推算的預緊力進行評定是偏保守且有余量的。

預緊狀態下不銹鋼墊片的比壓力[2]為179.3MPa，操作狀態下不銹鋼的比壓力由公式1反推為2m×Pc=195MPa。

Fp=6.28×DG×b×m×Pc

其中：Fp為操作狀態下需要的最小墊片壓緊力；

DG為墊片的壓緊力作用中心圓直徑；

b墊片有效密封寬度；

m不銹鋼墊片系數，為6.5；

Pc計算壓力。

本設計熱電偶采用316L不銹鋼，熱電偶安裝座套和活套螺紋為P91材料，材料參數根據ASME第III卷D篇[3]選取。建立模型如圖3和圖4所示。

本次計算采用軸對稱模型，對熱電偶的一些不影響強度和密封的結構進行了簡化。左邊部分為熱電偶簡化模型，右下為安裝座套簡化模型，右上為活套螺紋簡化模型。模型定義了3組接觸：熱電偶頂部和活套螺紋蓋下部的接觸；熱電偶和安裝座套的接觸；活套螺紋和安裝座套的螺紋接觸。計算分兩步，第一步計算預緊力過程，第二步計算在15MPa內壓和350℃下結構的受力和熱電偶的密封性。

在熱電偶密封過程和加載過程中，熱電偶和安裝座套接觸的位置可能會發生局部的塑性變形，但是對熱電偶結構來說，最重要的是兩點：

1）活套螺紋不會發生咬死現象。

2）密封滿足要求，不會發生泄露。

基于上述兩點，本此計算進行了兩次：第一次計算，材料全部定義為彈性材料，相對實際過程，定義彈性材料會對螺紋連接產生更大的膨脹力，此次計算評定螺紋接觸受力，只要此情況螺紋接觸區域不會發生較大量的屈服，則螺紋不會咬死；第二次計算，材料定義為理想彈塑性材料，理想彈塑性材料會使熱電偶和座套的接觸壓力小于實際情況，此次計算評定熱電偶和座套的接觸壓力，只要此時接觸壓力大于密封比壓，則不會發生泄漏。

圖5可以看出，彈性計算時，螺紋處最大等效應力為280MPa，小于P91材料在350℃的屈服強度377MPa。螺紋局部發生屈服并不能判定螺紋一定會發生咬死，但如果計算確認在螺紋接觸區域未發生屈服，則可斷定在此計算工況下正確安裝的螺紋不會咬死。

圖6中熱電偶的接觸壓力269MPa，大于預緊狀態不銹鋼墊片的密封比壓179MPa及工作狀態的密封比壓195MPa，因此不會發生泄露問題。

3 試驗驗證

3.1冷態水壓試驗

筆者對活套式螺紋連接熱電偶進行冷態水壓試驗，水壓試驗壓力為70MPa（按照標準《工業金屬管道工程施工規范》[4]，15MPa、350℃的設計壓力管道的水壓試驗壓力只需要23.5MPa，遠小于70MPa），保壓時間為5min，試驗儀表采用0.1%精度的壓力變送器。如圖7所示。

圖7為試驗過程中的P-T曲線，橫坐標為時間，縱坐標為試驗壓力值。筆者分別進行了35MPa和70MPa的水壓試驗。從右圖可以看出，試驗裝置在514s左右升壓至70MPa，隨后持續保壓了5min，保壓過程中壓力穩定，未發現壓力值下降，熱電偶結構未發生泄漏。試驗結果證明：自密封結構的熱電偶能夠滿足70MPa冷態水壓試驗要求。

3.2熱態驗證試驗

為驗證該結構的熱態性能，本文利用高壓釜對該結構熱電偶進行了熱態性能試驗。如圖8圖9所示。

試驗數據表明，在整個升溫升壓以及降溫降壓過程中，升溫速率為2.28℃/min，熱電偶密封結構沒有發生泄露。當試驗到達熱態工況時，穩定25min后，關閉高壓釜電源，實施自然冷卻降溫，降溫速率為0.64℃/min，熱電偶密封結構也沒有發生泄露。

4 結束語

本文提出的熱電偶密封結構，利用不同材質的膨脹系數實現了自緊式密封，計算分析結果表明該結構適用于工作壓力15MPa，工作溫度350℃條件下的溫度測量；冷態水壓試驗結果表明，該結構能夠承受70MPa的靜壓，熱態試驗表明在15MPa，344℃條件下，升溫速率不超過2.28℃/min，降溫速率不超過0.64℃/min的情況下，熱電偶密封結構能夠不會發生泄漏。該結構不需要使用保護護套，熱電偶可直接與管道內介質接觸，隨著保護管外徑的減小，其壁厚將減薄，有利于提高熱響應時間，減小溫度測量誤差。

本文設計的熱電偶密封結構，在高壓以及高溫高壓管道測溫領域具有密封性好、響應快、測量誤差小等優點。未來條件成熟后可以在核電廠、石油化工等高溫高壓管道行業推廣應用。

[1]HG/T20507．自動化儀表選型設計規定[M]．北京：全國化工工程建設標準編輯中心,2001：47-50．

[2]GB150．3． 壓力容器 第3部分：設計[M]．北京：全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會,2011：192-193．

[3]ASME第II卷D篇材料性能[M]．北京：中國石化出版社,2010．

[4]GB 50235．工業金屬管道工程施工規范[M]．北京：中國計劃出版社,2010：51．

The Analysis and Research on New Thermocouple Seal Structure Under High Temperature and Pressure Conditions

LiuYan,Shi Shaobo,Ye Jingsong,Wang Yanzhi
（China Nuclear Power Operation Technology Corporation, LTD. Wuhan 430223 Chinga）

Thermocouples used in high temperature and pressure are commonly using the protective seat, the seat is very thick that the response speed and the temperature measurement accuracy is greatly reduced. This paper presents a latemodel self-tight thermocouple structure for high-temperature and high-pressure pipeline, this structure don’t require the protective sheath, and the thermocouple directly contacts with the media in the pipeline, which will improve the response speed and reduce measurement error. In order to verify the reasonableness of this structure, the finite element method was used to analyze the structure sealing and thermal stress, the hydrostatic test was taken for testing the structure. The calculation results indicate that at least the structure can bear 15MPa, 350℃condition without leakage and thread galling problems. Furthermore, the hydrostatic test shows that the structure can withstand the pressure of 70MPa and the thermal state test shows that the structure also works well under the condition of 15MPa, 344℃.

high temperature and pressure,thermocouple,thermal stress,Self-tight sealing

TL332

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.021

2014-4-1

劉妍1982—，女，碩士，工程師，主要研究熱工測量與過程控制。