摘　要：針對某懸浮床加氫反應器內部柔性熱電偶的斷裂形態、工作環境以及安裝固定情況，文章從熱膨脹理論和有限元模擬兩個方面，分析了熱電偶斷裂原因。研究表明，反應器內部結焦影響了熱電偶的自由伸縮，使熱電偶局部產生附加拉力和塑性變形。隨著開停工次數的增加，熱電偶局部塑性變形反復積累，最終發生斷裂。根據斷裂原因，制定并實施了保護熱電偶的詳細改進方案，其經濟性和可行性在反應器實際運行中得到了驗證。

        煤—油共煉技術是一種新型的煤制油技術，該技術是將渣油與煤粉按一定比例混合后，在催化劑作用下發生的加氫反應。由于渣油與煤粉在加氫過程中有一定的協同作用，所以反應的輕油收率較高，而固體殘渣的生成率很低。該裝置的核心設備之一是懸浮床反應器（以下簡稱“反應器”），在反應器內，油煤漿發生加氫反應。反應器的溫度測量依靠伸入其中的三支４點式熱電偶來完成。加氫反應的溫度測量是保證反應正常進行和裝置安全的重要前提，如果反應出現飛溫而得不到及時控制，就會危及裝置的安全。

        某煤—油共煉裝置運行一段時間后，反應器內部三支４點式柔性熱電偶最下面的測點均失效，車間ＤＯＳ操作站上無溫度顯示，待裝置全面停工檢查時，發現該反應器下部一定高度上結焦嚴重，除去焦炭后發現，在靠近失效測點的熱電偶Ｕ型管卡處，熱電偶發生斷裂（見圖１）。

 

１　反應器與熱電偶簡介

        該反應器操作條件苛刻，高溫、高壓、臨氫，介質含有煤粉。操作溫度４８０ ℃，操作壓力２１．３ＭＰａ，設備切線總長為１８?。罚担埃恚?。反應器為冷壁結構，內壁加不銹鋼隔熱襯筒，襯筒在長度上分若干段，每段之間留熱膨脹縫，殼體材料為ＣｒＭｏ鋼，殼體設計溫度為３００℃。反應器進料口設在下封頭底部，出料口在上封頭頂部。

        該反應器內部的三支熱電偶為鎧裝柔性４點式熱電偶，其中外鎧管規格為１０ ｍｍ×１．８ｍｍ，材質為３４７ＳＳ，熱電偶為單支多點結構，每點設獨立鎧套，每根內鎧套與外鎧套之間填充氧化鎂。三支柔性熱電偶沿反應器圓周均勻垂直鋪設，分別從反應器頂部封頭上的３個熱電偶口中穿入。每根熱電偶長度約１８?。埃埃埃恚?，在不同高度上設４個溫度測點，其中最下面的測點距下封頭切線１?。担福担恚?。熱電偶管的最初安裝方案由熱電偶供應商提供，采用若干個Ｕ型管卡與焊在反應器內襯筒上的支撐板進行安裝固定（見圖２）。

 

２　熱電偶斷裂現象描述及原因分析

        發現熱電偶斷裂后，業主、熱電偶供應商及總承包商共同到現場查看分析原因，考慮到熱電偶管的斷裂部位在下部，反應器操作介質內含有煤粉，物料從下部進入，熱電偶供應商認為是物料沖刷下部熱電偶管造成其磨損斷裂，熱電偶供應商在基于磨損斷裂的基礎上給出了整改方案，在熱電偶外面直接加保護套管，保護套管外加導向管卡?？偝邪痰脑O計人員根據熱電偶斷裂的實際形態，對熱電偶斷裂原因表示懷疑，并重新進行了深入分析。結合現場實際情況及熱電偶斷裂的相關照片，熱電偶管斷裂后可以有如下特征描述：

       １）熱電偶斷裂處有明顯的變長、斷口平齊（見圖１）；

       ２）熱電偶發生彎曲變形，外徑變小，壁厚變薄，局部縱向有裂紋（見圖３和圖４）；

       ３）卡處有明顯的結焦（見圖５）。

       ４）最上端熱電偶彎曲處發生明顯變形，活彎變成死彎（見圖６）。

 

　      從圖３～圖４及描述中可以看出：熱電偶管斷裂處的橫截面發生變化，外徑變小、壁厚減薄，而遠離斷裂的位置上，熱電偶外壁上還有結焦。這個現象首先說明熱電偶不是被介質沖刷破壞的。如果是介質沖刷，就不應該有結焦存在，焦炭可以起到防止沖刷的作用，并且沖刷應該是在套管很大的范圍內發生，而不是僅僅在局部。根據工藝數據可知，物料進入反應器的速度僅為０．０６ｍ／ｓ，這是個非常緩慢的流速，不應該對器壁產生磨損。

        從圖５、圖６可以看出，熱電偶管斷裂處的橫截面外徑變小、壁厚減薄，這是比較明顯的拉伸破壞現象。在理想的狀態下，熱電偶不應該受到拉力作用，因為固定熱電偶的管卡都是導向管卡，熱電偶與外壁之間由于溫度和材料膨脹系數不同導致的膨脹差可以通過熱電偶和管卡之間的滑動而得到緩解。如果管卡安裝太緊，不能產生自由滑動，這時熱電偶應該受到壓縮力，而沒有拉力產生。

        設計人員在仔細分析了熱電偶上的焦炭分布后發現，斷裂處焦炭較少或沒有焦炭，而熱電偶又是裝置開停工幾次后發生的斷裂，從這些現象可以推斷，是由于結焦影響了熱電偶在管卡中的自由滑動，從而產生拉力，把熱電偶拉斷。

        熱電偶管和內襯筒材料為不銹鋼，操作溫度為４８０℃，反應器殼體材料為ＣｒＭｏ鋼，因設置隔熱襯里，殼體溫度為３００℃，因兩種材料的熱膨脹系數不同，不銹鋼大于ＣｒＭｏ鋼，當反應器工作時，熱電偶管和外殼體之間的熱膨脹量相差甚大，按熱電偶管長度１８?。埃埃埃恚碛嬎?，膨脹差達到９０ｍｍ，即熱電偶管比殼體多伸長９０ｍｍ。當反應器開停工時，如果熱電偶無約束，便會自由膨脹和收縮，不產生任何附加應力，也不會產生任何的變形。但是如果熱電偶上有結焦，那么熱電偶回復原位時就不能通過管卡自由滑動，這時如果焦炭附著不太牢固，管卡就把焦炭刮掉而回復原位，如果焦炭附著足夠結實，那么管卡處的熱電偶管就被拉伸，隨著開停工次數的增加，這樣的拉伸反復積累，最終導致斷裂。

        斷裂處的縱向裂紋是由于在焦炭被管卡刮掉時，焦炭作用在熱電偶管上的剪切力所致。剪切力使薄壁管發生剪切破壞。

 

３　有限元模擬驗證

        為進一步分析熱電偶的受力，本文采用有限元法計算熱電偶的變形，把殼體溫度設定為３００℃，內襯筒和熱電偶溫度設定為４８０℃，反應器殼體材料為ＣｒＭｏ鋼，熱電偶管和內襯筒材料為不銹鋼，為計算方便，把熱電偶與襯筒的連接設為固定連接。計算結果顯示，熱電偶管受到了壓縮，管子上最大壓縮應力達到了８００ＭＰａ，側向位移達到了４０ｍｍ（見圖７和圖８）。

 

         通過以上分析可以推斷，如果管卡不能自由滑動，熱電偶將受到極大的彈性壓縮力，同理，如果管卡開工時發生了自由滑動，而停工時由于焦炭的阻力而不能回復原位，熱電偶必將受到和計算得到的一樣大小的名義拉伸應力，這么大的名義拉伸力，足以使熱電偶管發生斷裂破壞。

 

５　熱電偶安裝固定的改進方案

        熱電偶供應商提供的改造方案是基于磨損導致破壞提出的，其要點是在熱電偶外加裝３８ｍｍ×７ｍｍ 的不銹鋼保護套管，考慮到現場安裝，分若干段施工，中間用螺紋接頭連接，套管仍用Ｕ型卡緊固，下端敞口。該方案存在以下弊端：熱電偶最初能在套管內自由伸縮，但當反應器工作后，套管內會結焦增多，不僅會影響傳熱，引起溫度測量滯后，而且停工時再次阻尼熱電偶的滑行。另外保護套管的剛性較強，再加上與反應器內襯筒膨脹、收縮的不同步，不但會牽制內襯筒的自由伸縮，而且可能對Ｕ 型管卡造成破壞，因此該方案不可取，需重新制定熱電偶保護方案。

 

        針對熱電偶斷裂的原因，會同各相關專業技術人員的討論，最終確定按以下方案進行熱電偶的改造（見圖９）。

 

        １）仍采用加裝不銹鋼保護套管，套管規格改為２５ｍｍ×２．５ｍｍ；

        ２）保護套管分段，相鄰段連接采用滑套結構，確保套管滑移自如，滑動處塞陶瓷纖維繩以防焦炭進入保護管內，同時保證連接處避開熱電偶的所有測點位置，不影響溫度的準確測量。

        ３）每段保護套管中間只設置１個管卡，熱電偶安裝就位后套管與管卡和支撐板焊牢，支撐位置位于每段反應器內襯筒的中部，確保套管和內襯筒的伸縮互不影響；

        ４）套管最下端用盲板封堵，盲板上端加裝防護蓋板，熱電偶下端和盲板留有一定的膨脹距離，防止反應物料進入套管造成結焦。

 

６　結語

        熱電偶管在介質流速為０．０６ｍ／ｓ的條件下，發生磨損的可能性很小。從斷裂的形態來分析，由于結焦影響了熱電偶的自由伸縮而產生拉力，把熱電偶拉斷。如果按供貨商的方案，采用強度很大的套管，很可能把內套筒拉壞，產生嚴重事故。采用總承包商的方案改造實施后，熱電偶工作平穩，各個溫度測點顯示正常，熱電偶改造方案得到業主的認可。