溫度套管頻繁故障的綜合判斷及處理

李文忠

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

某企業有一支高壓過熱蒸汽熱電偶套管自首次安裝投用以來，頻繁出現與溫度套管相關的故障，現將對該典型故障的綜合判斷思路及處理過程進行梳理，并分析探究相關的原因。

1 溫度指示偏低故障的排查

該熱電偶自首次安裝投用以來，溫度指示嚴重偏低，針對該故障進行以下幾方面排查：

1)復核該熱電偶規格書中的關鍵數據。關鍵數據有： 介質為過熱蒸汽，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，插入深度為300 mm，熱電偶分度號K型，溫度套管結構形式為固定法蘭錐形整體鉆孔(φ28 mm/φ23 mm/φ8 mm)，壓力等級為CL2500，材質為12Cr1MoVG，介質流速為50 m/s。

2)DCS組態數據復核。檢查DCS內部組態，熱電偶分度號為K型，組態正確。

3)溫度補償電纜型號及接線復核。檢查來自現場的電纜為K型溫度補償電纜，室內接線正、負極性正確。

4)現場實際安裝情況檢查。現場安裝情況如圖1所示，溫度套管管嘴法蘭面與管道上表面高距離L0為350 mm左右，L為插入深度，工藝管道內/外徑數據為221 mm/273 mm。

參照圖1，對L0與L實際數據進行比較，可以確認插入深度為300 mm的熱電偶實際未插入到管道內部，仍在管嘴內，是造成溫度檢測指示偏低的主要原因。

為解決插入深度過短問題，技術人員未經專業技術評審就確定了簡單修改方案： 訂購插入深度為460 mm的溫度套管并且把材質由原設計12Cr1MoVG改為了常用的316SS材質，結構形式由原設計錐形整體鉆孔(φ28 mm/φ23 mm/φ8 mm)更改為直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm。

5)溫度指示偏低故障排查處理暴露出的典型問題如下：

a)設計階段。儀表與配管專業之間資料提交銜接存在問題，導致儀表專業設計的溫度套管插入深度與配管專業設計的管嘴高度不匹配。

b)施工階段。配管專業施工單位可能存在未按圖紙施工問題，導致設計管嘴高度與實際施工管嘴高度不符。

c)三查四定階段。未對插入深度與實際管嘴高度匹配數據進行檢查，只是機械地完成溫度套管安裝。目前溫度套管插入深度與實際管嘴高度是否匹配問題已成為工程建設“三查四定”階段的重點關注內容。

d)運行維護階段。變更管理存在疏漏，材料、結構型式等關鍵內容的變更隨意且未執行嚴格審批流程。

2 首次溫度套管泄漏故障的排查

該熱電偶的溫度套管更換為插入深度460 mm運行32個月后，套管出現泄漏，且檢查出根部出現裂紋。又更換為插入深度為390 mm溫度套管，材質仍為316SS，直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm。當首次溫度套管出現泄漏故障時，套管根部裂紋泄漏故障未引起足夠重視，未進行根本原因分析，單純機械地進行更換。

3 第二次溫度套管泄漏故障的排查

新更換的溫度套管運行僅35天后再次出現套管泄漏，因此需要從根本上分析泄漏原因。

3.1 材質變更導致根部裂紋產生的可能性分析

3.1.112Cr1MoVG與316SS的化學成分

材質12Cr1MoVG與316SS的化學成分對比見表1所列。

表1 12Cr1MoVG與316SS的化學成分對比 %

由表1可以看出，12Cr1MoVG為低合金鉻鉬鋼，316不銹鋼為高合金鋼，高合金鋼的穩定性能會更好。

合金鋼中w(Cr)增加，氧化層生成變慢，能進一步提高抗高溫蒸汽氧化性能；Ni元素可以改善鋼的韌性，提高鋼的綜合機械性能和加工性能；Mo元素可以增強鋼的抗氧化性和高溫強度；少量V元素的加入可以進一步增強12Cr1MoVG的熱強性；C元素可以提高材料的高溫強度；316材質不銹鋼使用于溫度高于525 ℃的場合時，鋼中w(C)應不小于0.04%。

3.1.212Cr1MoVG與316SS的力學性能

材質12Cr1MoVG與316SS的力學性能對比見表2所列。

表2 12Cr1MoVG與316SS的力學性能對比

由表2可以看出，兩種材料的抗拉強度相近；12Cr1MoVG的高溫規定塑性延伸強度是316不銹鋼的1.6～1.7倍。

3.1.312Cr1MoVG與316SS的許用應力

材質12Cr1MoVG與316SS的許用應力對比見表3所列。

表3 12Cr1MoVG與316SS的許用應力對比 MPa

由表3可以看出，兩種材料在高溫狀況下的許用應力接近。

綜合上述化學成分、力學性能、許用應力等對比數據并結合操作溫度為535 ℃的應用情況，可以確定316SS不銹鋼材質適用于該工況，即將原設計套管材質12Cr1MoVG修改為316SS不是導致根部裂紋并產生泄漏的根本原因，但是采用316H材質的不銹鋼比316SS不銹鋼更為合理。

3.2 溫度套管共振現象導致根部裂紋產生的可能性分析

溫度套管插入到流體中時，將對流體的流動產生阻礙，進而在溫度套管的兩側交替產生旋渦，稱之為卡門旋渦。該旋渦在套管上產生兩種力，分別是橫向振動升力和縱向振動阻力。橫向振動升力的頻率為fs，縱向振動阻力的頻率為2fs。當fS或者2fS與溫度套管自然頻率fa接近時，共振現象隨之發生。

3.2.1溫度套管自然頻率的簡算

溫度套管自然頻率的計算如式(1)所示：

(1)

3.2.2溫度套管旋渦脫落頻率的簡算

溫度套管旋渦脫落頻率計算如式(2)所示：

(2)

式中：Ns——斯特羅哈數，與介質雷諾數Re有關，簡算時可以定為0.22；v——介質流速，m/s。

3.2.3溫度套管頻率限制的合格判據

縱向共振發生時的流速為橫向共振發生時流速的50%，因此縱向共振更容易發生。基于此，溫度套管頻率限制的合格判據為：fs<0.4fa或0.6fa

3.2.4首次出現泄漏的溫度套管頻率計算

首次出現泄漏的溫度套管參數： 材質316SS，直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm，插入深度為460 mm，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，介質流速為50 m/s，彈性模量為1.57×105MPa

根據式(1)計算該溫度套管的fa=82.7 Hz，根據式(2)計算該溫度套管的fs=407.4 Hz。fs/fa=4.92,根據頻率限制的合格標準判定為嚴重不合格。

3.2.5第二次出現泄漏后的溫度套管頻率計算

第二次出現泄漏的溫度套管各參數： 材質為316SS，直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm，插入深度為390 mm，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，介質流速為50 m/s，彈性模量為1.57×105MPa。

根據式(1)計算該溫度套管的fa=115 Hz，根據式(2)計算該溫度套管的fs=407.4 Hz。fs/fa=3.54,根據頻率限制的合格標準判定為嚴重不合格。

3.2.6參照原設計材質并修改關鍵數據的溫度套管頻率計算

參照原設計規格書，將材質316SS修改為12Cr1MoVG；將直形整體鉆孔φ27 mm/φ8 mm修改為錐形整體鉆孔φ30 mm/φ24 mm/φ7 mm；根據DL 5190.4—2019《電力建設施工技術規范第4部分： 熱工儀表及控制裝置》中規定：“高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑不大于250 mm時，溫度套管插入深度宜為70 mm”，計算并修改插入深度為440 mm，操作溫度為535 ℃，操作壓力為9.5 MPa，介質流速為50 m/s，彈性模量為23.9×106

根據式(1)計算fa=92.4 Hz,根據式(2)計算fs=458.3 Hz。fs/fa=4.96,根據頻率限制的合格標準判定為嚴重不合格。

綜上所述，可以確定： 溫度套管頻率限制嚴重不合格是導致該溫度套管共振現象發生進而產生根部裂紋的根本原因。根據套管自然頻率的計算過程可以確定，縮短套管插入深度可以有效改善不合格頻率限制。但現實的情況是： 高溫高壓介質蒸汽管道完成施工并投入運行后，根本不具備修改并縮短溫度管嘴高度的條件，因此對該套管根部裂紋導致泄漏問題的解決陷入困境。

4 解決方案

為徹底解決因頻率限制不合格而導致套管根部出現兩次裂紋并嚴重影響安全生產的高風險故障，某溫度儀表制造廠商汲取國外同類問題的成功解決經驗，提出了采用螺旋形溫度套管的新型抗振解決方案。

4.1 同種工況下不同結構溫度套管的對比

國外相關研究資料表明，螺旋結構的溫度套管能夠避免形成明顯的卡門旋渦，能夠減小并分散旋渦的振幅，同等條件下可減少90%以上的幅值，從而大幅降低溫度套管共振現象發生的可能性。同種工況下不同結構溫度套管產生的卡門旋渦對比如圖2所示。

圖2 同種工況下不同結構溫度套管產生的卡門旋渦對比

4.2 新型螺旋抗振溫度套管外形結構及應用效果

新型螺旋抗振溫度套管外形結構如圖3所示。

圖3 新型螺旋抗振溫度套管外形結構示意

自2019年10月更換為新型螺旋抗振溫度套管后，連續運行至今已達27個月之久，未再產生套管根部裂紋并導致泄漏的故障。至此，嚴重影響安全生產的高風險故障得到徹底解決。

5 結束語

通過對典型的溫度套管故障處理過程的梳理，綜合判斷、分析、計算和比較，給出了解決處理該類型故障的思路和方法。通過選擇新型螺旋結構抗振套管，化“被動”的溫度套管頻率限制計算為“主動”的避免形成明顯的卡門旋渦，減小分散旋渦的振幅，從而大幅降低了溫度套管共振現象發生的可能性。