热电偶套管断裂失效研究

热电偶套管断裂失效研究

韩荣庆, 屠家铭

浙江春晖仪表股份有限公司 浙江绍兴312300

摘要：本文将围绕热电偶套管断裂失效分析方法开展分析，阐述热电偶套管断裂形成原因，并提出合理选择材料与焊接工艺、适当调整套管阻尼以及伸出长度等防范措施，以此保证套管安全防护作用有效发挥，确保热电偶安全使用，希望通过本文研究，为相关行业提供借鉴。

关键词：腐蚀评价；套管振动；焊接缺陷；热电偶套管

引言：热电偶属于测温元件，通过获取被测介质温度，实现温度的传输与控制。由于该元件经常要在高温、高压环境下使用，容易影响温度传感器正常运行。因此需要配备套管，用以保护元器件安全。但根据实际调查显示，现阶段许多企业在使用热电偶套管时，经常出现断裂问题，为避免此类现象反复发生，笔者将采用适合的热电偶套管断裂失效分析方法，探究问题形成原因，从而制定针对性的预防措施。

1热电偶套管断裂失效分析方法

1.1断口分析

    该方法适用于热电偶套管断裂处无任何处理的情况，通过确定断裂位置的断面形貌特征、断口颜色分布、光滑度等缺陷，进而评估套管断裂程度，为后续的分析打下基础。

1.2化学成分与力学性能分析

化学成分分析是指在断裂的套管上提取样品，借助能谱分析，探究其基体材料的组成元素，判断材料成分是否与规范要求一致。比如在分析某断裂套管不锈钢成分时，若发现磷元素含量满足标准要求，但硫元素含量偏高，则证明该套管的耐热钢性能危害较大，容易造成材料的热脆性，影响套管的强度。

力学性能分析是指利用拉伸试验，比较材料力学性能与标准指标。比如对某热电偶套管进行力学性能检测时发现，套管抗拉强度符合安全标准，但塑性指标不符合应用指标，在拉伸试验后会产生塑性变形。

1.3金相与扫描电镜分析

金相分析是指取断口以及接头等样品，在抛光后，添加适量草酸溶液，之后在显微镜下观看金相组织，分析基体类型。以某热电偶套管为例，在金相分析后发现基体中碳化物较多，证明材料含碳量较高，但碳化物的分布以带状为主，该分布方式会对钢材性能产生严重危害，使材料出现各向异性。

扫描电镜分析是指利用电子显微镜观察断口，分析裂纹起源位置、扩展区大小，以此更准确地评价套管断裂的形成原因。

1.4腐蚀评价与模态分析

腐蚀评价适用于存在腐蚀斑点的断裂套管，同时也适用于部分套管断裂时间较长，未得到及时处理，导致断口处形成氧化物的情况。

模态分析适用于因强振动引起的套管断裂，通过有限元仿真研究，确定套管结构以及流体频率，能够有效避免结构与流体频率相近。

1.5数值模拟

数值模拟分析需要采用ANSYS（有限元）分析软件，该软件能够与计算机辅助设计软件接口，实现数据共享与交换，用于分析整个模型在某个载荷步的某个子步或某个结果序列下的结果。将其运用在套管断裂分析领域中，可以进一步求解随时间变化的载荷对结构或部件的实际影响。在实际应用过程中可充分结合大涡模拟法实现套管的受力分析，进而根据数据结果制定针对性的防范措施，确保套管受力状况得到有效缓解。其中大涡模拟可以理解为对紊流脉动的一种空间平均，能够利用某种滤波函数将大尺度涡与小尺度涡分离，之后实现大尺度涡的模拟，小尺度涡的封闭，确认涡的各向同性性质。

2热电偶套管断裂原因探究

笔者将结合工作经验，通过实地考察，对常见的几种热电偶套管断裂原因进行总结，具体内容为：焊接缺陷，焊接位置属于套管断裂的“重灾区”，经常会因为焊接质量不佳，导致热响应区出现组织不均的问题，由于套管咬边缺陷，最终引发套管外壁出现杂质偏析，造成微观组织疏松，容易在强烈载荷作用下，产生断裂；套管振动，通常来说，与热电偶套管相连的管路经常会充满流体，若流体本身密度较高，会产生一定的湍流状态，使套管周边产生旋涡，进而形成一定的升力与阻力，使套管内部压力分布不均，引发套管振动。当流体激振频率与套管频率相同时，便会使套管在共振作用下出现周期性交变应力，形成疲劳断裂；腐蚀脱落，由于热电偶经常需要在高温、高压环境下作业，所以热电偶套管对环境以及材料强度要求较高，一旦材料本身质量不达标、使用材料与设计要求不符，或是选材时没有对材料耐高温性能进行充分考虑，很容易因环境因素引发套管断裂；热电偶安装不合理，如果热电偶套管断裂区域发生在孔板等元器件附近，则形成原因大部分表现为热电偶安装不当。这是因为此类位置都属于激振力集中的区域。同时热电偶套管若采用垂直方式与管路相连，会使套管与主管路相连位置变为应力集中区域，进而影响套管正常使用[1]。

3热电偶套管断裂防范措施

通过对热电偶套管断裂形成原因进行分析后，笔者将提出以下几种防范措施，用以防止相似问题重复发生。第一，要做好材料的选取与检测，保证套管组成材料满足设计要求，符合套管安全使用标准，确保材料具有极强的韧性，以及良好的耐高温、耐腐蚀能力。第二，要做好套管质量检查，确认焊接效果，防止因焊接工作使用不当，导致套管材料晶相组织出现大幅度改变，最终造成接头裂纹。第三，要正确选择热电偶的安装位置，对比多种安装方式，保证在不影响温度测量的基础上，以一定角度实现倾斜安装，控制好热电偶套管与主管路之间的连接深度，避免出现应力集中的问题，调整套管受载情况。第四，要采用先进的防泄漏热电偶，此类热电偶即便在套管断裂的情况下，依然可以起到阻断介质流失的作用。第五，针对共振引发的套管断裂，需要适当调整套管阻尼，提高管壁厚度，减少套管长度。第六，为了避免产生旋涡脱落的问题形成，还要进一步优化套管的截面设计方法，优化截面形状，比如流线型表面，能够防止出现应力集中的现象。同时也可在保证成本支出可控的前提下，在套管后添加防旋涡干扰设备

[2]。

结论：综上所述，通过对热电偶套管断裂失效分析方法以及形成原因开展分析讨论，并提出一系列针对性的防范措施，以此保证热电偶套管的安全使用，最大程度降低故障问题的形成概率。

参考文献：

[1]张永超,丁丽林,赵帅.干扰装置对热电偶套管绕流及减阻性能研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2022,41(02):108-116.

[2]杨子威,余进,洪浩源.Inconel 600热电偶套管焊接的组织和性能研究[J].电焊机,2020,50(02):99-102.