溫度計套管強度影響因素的分析

□ 張雨果 □ 石泰琿 □ 施勇希 □ 趙登山

中國核動力研究設計院一所 成都 610005

1 分析背景

接觸式溫度計測溫可靠,結構簡單,成本低廉,是工程過程系統的重要組成部分,在核電、石化、醫藥等領域獲得了廣泛的應用[1]。對于設計、安裝而言,通常沿用美國機械工程師協會標準ASME PTC 19.3 TW—2010[2],溫度計套管應滿足激勵主導頻率和固有頻率比值小于0.8的要求,作為溫度計套管是否會發生共振破壞的依據[3-6]。但是,在溫度計的應用過程中發現,系統運行時對管道沖擊,溫度計套管在管道流體的不穩定沖擊下,發生斷裂的情況屢見不鮮,部位通常為溫度計套管的根部[7-8]。因此,溫度計套管的正確設計、選型是非常重要的。

筆者以溫度計套管為研究對象,從溫度計套管的焊縫結構、流場速率、長度等方面著手,研究這些因素對溫度計套管結構強度的影響。首先選取同種尺寸、不同焊接工藝的溫度計套管,通過單軸拉伸試驗對最大拉伸強度進行比較。然后選取不同的介質流速,應用ANSYS Workbench有限元軟件計算、比較不同流速對溫度計套管根部應力的影響。最后對套管長度和介質流速兩個因素共同引起漩渦脫落,造成溫度計套管疲勞斷裂的后果進行了評估。研究結果為溫度計的選型、安裝和使用提供了依據與數據支持。

2 單軸拉伸試驗

套管式溫度計如圖1所示。選用相同材料、相同尺寸,不同套管焊接工藝的兩種套管式溫度計,對溫度計套管進行準靜態拉伸試驗,比較不同焊縫質量溫度計套管的拉伸強度。試樣1的套管根部焊縫較厚,焊縫軸向寬度約2.74 mm,焊縫徑向高度2.4 mm,焊接采用金屬套環熔合完整,使六角接頭與感溫護套形成平滑過渡。試樣2的套管根部焊縫較薄,焊縫軸向寬度約1.9 mm,焊縫徑向高度1.4 mm,焊接采用金屬套環前端局部熔化,保留較為明顯的臺階,形成應力集中區域。進行單軸拉伸試驗的溫度計套管試樣如圖2所示。對兩種溫度計套管進行單軸拉伸試驗,采用準靜態拉伸方式,拉伸速率小于500 mm/min。試驗裝置為SANS CMT2000高低溫萬能材料試驗機。

單軸拉伸試驗溫度計套管斷口如圖3所示。從斷裂形態和斷裂部位來看,兩種試樣的斷裂位置均在套管和溫度計安裝接頭的焊接位置。其中,焊縫較厚的溫度計套管在偏向于套管根部斷裂,而焊縫較薄的溫度計套管在偏向于焊縫位置斷裂。定量比較兩者的最大拉伸強度,焊縫較厚的溫度計套管,最大拉伸強度為 19.0 kN,焊縫較薄的溫度計套管,最大拉伸強度為13.7 kN,降低約28%。由此可見,焊接質量對保證溫度計套管的強度至關重要。

▲圖1 套管式溫度計▲圖2 單軸拉伸試驗溫度計套管試樣

▲圖3 單軸拉伸試驗溫度計套管斷口

3 應力分析

以焊縫較厚的溫度計套管試樣1為分析對象,應用ANSYS Workbench軟件進行單向流固耦合計算,比較溫度計套管在160 m/s、150 m/s、140 m/s、130 m/s、60 m/s流體流速下的應力分布和應力最大值。溫度計套管材料為0Cr18Ni9鋼,彈性模量為172 GPa,泊松比為0.3,密度為7 900 kg/m3[9]。溫度計套管采用圓弧過渡,避免應力集中。溫度計套管模型如圖4所示。

▲圖4 溫度計套管模型

流體流速為160 m/s、150 m/s、140 m/s、130 m/s、60 m/s,溫度為300 ℃,壓力為3 MPa,運動黏性系數為1.22×10-7m2/s,質量密度為726.7 kg/m3。流體域為φ200 mm管道內部。計算采用單向流固耦合,類型為穩態,湍流脈動采用標準k-ε湍流模型,計算總時間為1 s,管道上游為入口,下游為出口。采用高階求解模式,收斂殘差為110-6,計算流體對溫度計套管的壓力作用。采用靜態結構進行結構變形和應力計算,在溫度計套管的壓力面讀取對應于流體域的壓力載荷,實現流體數據向結構傳遞,最終得到溫度計套管的應力。

通過計算,得到流體流速為160 m/s時溫度計套管的應力分布云圖,如圖5所示。不同流體流速下溫度計套管應力最大值如圖6所示。由圖5可知,在流體流速為160 m/s時,溫度計套管應力集中在接頭連接的焊縫處,應力最大值為425 MPa。由圖6可知,在各流體流速下,溫度計套管應力最大值趨勢一致,這是懸臂梁的結構形式決定的。另一方面,應力最大值和流體流速近似線性遞增關系,在流體流速緩慢加快的情況下,應力最大值急劇增大。綜合試驗和模擬結果,焊縫處為強度的薄弱點。

▲圖5 溫度計套管應力分布云圖

4 漩渦脫落激勵共振分析

引起溫度計套管斷裂的疲勞可以分為溫度交變熱應力疲勞和流致振動應力疲勞。流致振動作為一種復雜的流固耦合現象,按誘發因素可以細分為漩渦脫落、湍流抖振、流體彈性激振。通過工礦行業調研與作用原理分析,溫度交變熱應力疲勞、湍流抖振、流體彈性激振等因素與漩渦脫落相比,不在同一量級,為次要因素。因此,筆者重點圍繞漩渦脫落開展理論計算和仿真驗證。

▲圖6 不同流體流速下溫度計套管應力最大值

應用ANSYS Workbench軟件對不同長度的溫度計套管進行模態分析,得到溫度計套管固有頻率與長度的關系。溫度計套管長度分別設置為50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm、175 mm、200 mm。有限元模型為實體單元,采用分塊蘭喬斯算法提取一階固有頻率。溫度計套管固有頻率與長度關系如圖7所示。由圖7可知,溫度計套管長度在100～200 mm時,固有頻率隨長度的增大而緩慢降低。溫度計套管長度小于75 mm時,固有頻率隨長度的減小而顯著提高。由此可見,溫度計套管長度在設計時可以避開漩渦脫落頻率,避免共振現象產生。

▲圖7 溫度計套管固有頻率與長度關系

蒸汽介質的雷諾數增大到一定值后,漩渦會從圓柱表面脫落,在尾跡中形成渦脫。以φ219 mm×9.5 mm管道為例,蒸汽介質壓力為3 MPa,溫度為300 ℃,最高流體流速為60 m/s,根據漩渦脫落理論公式,有:

fw=Stv/d

(1)

式中:fw為漩渦脫落頻率;St為施特魯哈爾數,在工程中可視為常數,值為0.22;v為介質平均流速,取10 mm/s、20 mm/s、40 mm/s、60 mm/s;d為溫度計套管直徑,值為10 mm。

由式(1)計算不同流體流速下的理論漩渦脫落頻率[10],計算結果見表1。由表1可知,漩渦脫落頻率與流體流速近似呈線性關系,低流體流速介質的漩渦脫落頻率更接近于溫度計套管的固有頻率。為了避免共振,常規的設計方法按美國機械工程師協會標準進行驗算,當流體漩渦脫落頻率與溫度計套管固有頻率的比值不大于0.8時,滿足振動頻率的要求,可以防止溫度計套管發生疲勞損壞,延長溫度計套管的使用壽命。

表1 不同流體流速下漩渦脫落頻率計算結果

5 結束語

筆者依據單軸拉伸試驗得出,溫度計套管焊縫工藝不一致時,焊縫較薄的溫度計套管強度大幅低于焊縫較厚的溫度計套管,應力集中在焊縫處,破壞方式為沿焊縫處斷開。

對溫度計套管進行模態分析,當溫度計套管長度在小于75 mm的范圍內變化時,溫度計套管固有頻率受到的影響較大,當溫度計套管長度大于100 mm時,溫度計套管固有頻率受到的影響趨于一致,并且緩慢降低。

根據漩渦脫落理論,分析了不同流體流速對漩渦脫落頻率的影響,得到漩渦脫落頻率與流體流速近似呈線性關系,溫度計套管固有頻率與漩渦脫落頻率共同決定溫度計套管是否會產生共振。所做分析為溫度計套管設計時防止疲勞損壞、延長使用壽命提供了理論依據和數據參考。