熱電偶套管套在熱電偶元件外面，用來抵御被測介質的壓力和腐蝕。為測量汽輪機內部蒸汽的溫度，通常將熱電偶套管伸入汽缸內部進行測量，以取得較為準確的數值。但由于汽缸內蒸汽壓強大、流速快，熱電偶套管處于極惡劣的工況下，因此經常發生損壞，這不僅會導致溫度信號丟失，嚴重時甚至會危及汽輪機設備的安全運行。本文將分析汽輪機熱電偶套管損壞的原因，并對熱電偶套管的改進措施進行探討，這對同類型汽輪機機組熱電偶套管的改造工作具有指導意義。
1、設備介紹
某電廠1臺600MW汽輪機機組（廠內編號6號機）為國產引進型高中壓合缸、單軸四缸四排汽凝汽式機組。由安裝在高壓外缸上半部分左側、右側的2支熱電偶元件來測量調節級蒸汽溫度，其熱電偶套管伸入缸內直至調節級動葉后面。由于高壓缸采用雙層缸結構，調節級蒸汽熱電偶保護套管設計成雙層保護套管形式，俗稱內外套管。其中，外套管固定在高壓內缸上，并伸至隔板套內調節級動葉后。內套管則固定在外缸上，并伸入外套管內，兩套管軸向保留6.5mm的膨脹間隙。
2、故障現象
近日6號機組運行負荷350MW，主蒸汽溫度537℃、壓強13MPa，再熱蒸汽溫度536℃、壓強1.79MPa，凝汽器真空Ａ側壓強98kPa，Ｂ側壓強99kPa，機組各軸瓦（包括推力軸瓦）溫度、振動均顯示正常，潤滑油油溫正常，主機軸向位移+0.27mm，正常。時間：19：21：33，6號機組汽輪機跳閘，鍋爐MFT，跳閘原因顯示為汽輪機軸向位移超過ETS主機位移保護跳機值（+1.0mm/-1.0mm）。停機過程中，汽輪機缸體、軸封、軸瓦沒有明顯異聲。事后檢查6號機組運行參數歷史曲線，發現汽輪機跳閘前，時間：19：21：33主機軸向位移由+0.25mm逐漸減小，時間：19：22：03，2號軸瓦振動瞬時突升至X向97.42μm，Y向89.56μm后回落。時間：19：22：54，軸向位移從-0.22mm瞬間大幅變化，最大至-1.85mm。時間：19：23：02，6號機組汽輪機跳閘，此時軸向位移又瞬時變化至+0.25mm。時間：19：23：15，推力軸瓦非工作面瓦塊溫度最高升至123.9℃。根據運行參數的變化，初步斷定汽輪機通流部分發生故障，造成了轉子推力異常變化，推力軸瓦非工作面瓦塊磨損，因此申請機組調停檢查。停機后，對高壓缸解體檢查，發現有下文所述的缺陷。
2.1 調節級蒸汽熱電偶保護套管嚴重損壞
解體后發現左側（從機頭往機尾看）內、外套管都已完全斷裂脫落，內套管掉落在內外缸之間，外套管掉落在高壓內缸測溫孔內。右側內外套管頭部也已損壞，發生了折斷現象。斷裂情況如圖1-圖3所示。
圖1 左側內套管斷裂
圖2 左側外套管斷裂
圖3 右側套管斷裂
2.2 調節級動葉出汽邊嚴重變形
檢查還發現所有調節級動葉片出汽邊均發生嚴重變形，如圖4所示。每片葉片的出汽邊背弧面向內凹陷變形嚴重，葉片的葉頂、葉根處甚至出現了開裂，背弧面的出汽邊均有刮擦的痕跡。從調節級蒸汽熱電偶套管的位置來看，右側套管發生彎折后很有可能撞擊調節級動葉，且在轉子順時針旋轉時，連續撞擊葉片從而導致如此變形。
圖4 汽輪機調節級葉片損壞
2.3 推力軸瓦非工作面瓦塊完全磨損
解體推力軸瓦，發現非工作面（機頭側）瓦塊表面鎢金全部磨損熔化，瓦塊見基材，而工作面瓦塊未發現異常。檢查轉子推力盤，有清楚的整圈摩擦痕跡，但沒有溝槽、劃痕等缺陷。
3、原因分析
3.1 汽輪機故障過程分析
結合機組故障時運行現象發生的時間順序及高壓缸解體情況分析，得出以下結論：此次汽輪機故障的過程是調節級蒸汽熱電偶套管發生脫落后撞擊調節級動葉，導致整圈動葉嚴重變形，調節級汽流通道面積明顯減小，使得軸系反向推力大幅增大，造成推力軸瓦非工作面瓦塊過載，鎢金磨損，轉子軸向位移超過了機組跳閘保護值。
查閱調節級蒸汽左、右2支溫度測點歷史數據可知，左側熱電偶數據在此次汽輪機故障前早已失去，即左側內外套管早已發生損壞，而右側熱電偶數據正是在這次故障時失去的，證明右側熱電偶套管是被左側套管脫落的殘骸撞擊頭部后發生彎折的，隨后其與高速旋轉的調節級動葉發生撞擊。
3.2 熱電偶套管脫落原因
從圖2可知，左側外套管斷面內孔呈橢圓形，斷口截面各處寬度差別明顯，由此可確認左側外套管運行中內壁受到了長期的單側磨損，局部管壁由此減薄。此外，斷口位于套管變徑處，斷口以上套管部分與高壓內缸測溫孔成0.05mm的過盈配合，斷口以下部分則有一定間隙，所以形成了所謂“懸臂梁”結構，蒸汽流對伸入高壓隔板套內的那段套管表面的沖刷力是不平穩的，在套管變徑斷口處產生極大的交變應力，再加上此處管壁減薄，最終發生斷裂、脫落。隨后，內套管在失去外套管的保護后受到高壓汽流的沖刷，因為內套管強度遠不及外套管，且內套管伸入高壓內缸以下的部分同樣也是懸臂梁結構，所以內套管也發生折斷、脫落。脫落的內外套管殘骸落在調節級后的隔板套內，受汽流的沖刷，和周圍的高壓轉子、高壓隔板套、高壓第１級靜葉發生了雜亂無章的撞擊，期間撞擊右側外套管，使其頭部發生朝調節級動葉方向的彎折，并與調節級動葉發生撞擊。左側外套管內壁長期受到碰磨的主要原因是內、外套管安裝不同心。我們可以排除內外缸體的相互移動或者套管、缸體測溫孔尺寸不正確等影響因素，剩余最有可能的原因是內外缸測溫孔在基建加工時就存在不同心，這可能與測溫孔中心定位方法和鉆孔的準確度不夠有關。
4、改進措施及探討
針對調節級熱電偶套管易斷裂脫落的問題，提出了以下幾種改進措施。
4.1 控制缸體測溫孔加工質量
對于新加工的機組，嚴格控制加工質量。工藝上將各缸體測溫孔從單獨加工改為總裝時號鉆，從而從根本上避免出現各缸體相同測溫孔不同心的問題，同時，所有熱電偶套管在總裝時進行試裝配，不把問題遺留在現場。
該措施不僅從工藝上對缸體測溫孔開孔進行了規范，而且強調其在制造廠總裝時進行，以制造廠較高的加工質量來保證新機組缸體測溫孔加工的準確性，與電廠現場加工相比，質量上更有保證，但不能完全避免熱電偶套管再次發生脫落。
4.2 高壓隔板套上增加熱電偶保護套
在高壓隔板套測溫孔上加工出螺紋，然后將另外加工好的保護套安裝在螺紋孔上，并焊接。
該措施最大的優點是即使調節級熱電偶套管發生斷裂，也不會脫落撞擊到汽輪機葉片，但隔板套測溫孔上螺紋加工困難，同時多出的一層保護套管降低了調節級蒸汽溫度測量的準確性。
4.3 調節級熱電偶雙層套管改為單撓性套管
將調節級蒸汽熱電偶套管由原先的雙層剛性保護套管改為單撓性套管，但套管不穿透高壓內缸，內缸上的測溫盲孔的孔底距缸體內壁保留10.5mm的厚度，這樣保證了調節級后蒸汽不會通過內缸測溫孔泄漏。套管上段有一波紋節和一片法蘭，與熱電偶整體加工而成。單撓性套管安裝時通過法蘭與另一片焊接在高壓外缸上的法蘭進行連接固定。
首先，該措施簡化了調節級熱電偶套管的結構形式，減少了套管安裝環節，避免了雙層套管之間因安裝不同心產生碰磨的問題，使保護套管損壞率下降。其次，高壓內缸測溫孔為盲孔，可完全防止套管發生脫落后撞擊到汽輪機葉片，比在高壓隔板套上加裝保護套管更可靠。第三，有分析指出，共振是熱電偶套管斷裂的主要原因，套管上的波紋節可改變套管固有的振動頻率，避免發生共振，防止保護套管損壞。第四，雖然單撓性套管未直接接觸到調節級后蒸汽，溫度測量的準確性受到影響，但是單層保護套管能夠比雙層套管更準確地測量溫度，因此二者因素相互抵消，單撓性套管對測量準確性的負面影響有限。
5、結論
調節級蒸汽熱電偶雙層保護套管的結構形式以及高壓內外缸測溫孔加工的不同心是導致熱電偶套管碰磨損壞脫落，進而撞擊汽輪機葉片的主要原因。它始終是影響汽輪機安全運行的隱患。事實證明，調節級熱電偶套管的脫落會對汽輪機造成嚴重損壞。本文通過比較認為，調節級蒸汽熱電偶套管由雙層保護套管改為單個撓性套管（內缸測溫孔為盲孔）具有諸多優點，是最為安全可靠的方案。由此證明，為了徹底排除隱患，應采取恰當的改進措施，這對汽輪機的安全運行有著十分重要的意義。
《熱電偶套管脫落致汽輪機故障的原因分析及改進措施》作者：浙江浙能嘉華發電有限公司 韓亮，1974年出生，男，畢業于武漢水利電力大學，本科，工程師，從事電廠汽輪機設備檢修維護管理工作。
