Thread Content
В этом посте приводится профессиональный обзор восьми методов анализа причин поломок изоляционных оболочек термопар. Компания Changhui Instruments, опираясь на результаты практических исследований, собственный опыт и соответствующую литературу, подвела итоги наиболее частых причин разрыва изоляционных оболочек термопар для использования инженерами-специалистами. Термопара является распространенным датчиком температуры в приборах для ее измерения; она находит широкое применение в промышленном производстве, научных исследованиях и других областях. Термопара напрямую измеряет температуру среды и в реальном времени преобразует сигнал температуры в сигнал термоэлектрического напряжения. Затем с помощью электрических приборов этот сигнал преобразуется в значение температуры исследуемой среды, что позволяет отображать, передавать и контролировать температуру. Поскольку термопары часто используются в условиях высокой температуры, высокого давления, высокой коррозионной активности среды, а также под действием потока жидкости с высокой скоростью, для обеспечения нормальной, безопасной и стабильной работы термодатчиков их обычно защищают с помощью изоляционных оболочек. Хотя конструкция оболочки термопары изначально предназначалась для обеспечения нормальной работы термопары, и на практике она действительно выполняет защитную функцию, однако, судя по типам неисправностей термопар, наиболее распространенной причиной сбоев остается разрыв оболочки термопары. Компания Changhui Instruments классифицирует методы исследования поломок оболочек термопар, обобщает общие причины таких поломок и подводит итоги мер по предотвращению их возникновения. Причины разрыва оболочки термопары yunrun.com.cn/tech/2904.html 1. Внешний вид и выбор оболочки термопары Рисунок 1. Защитная оболочка датчика температуры THERMOWELL Рисунок 2. Оболочка термопары На рисунках 1 и 2 показаны примеры типичных оболочек термопар. Подробную информацию о способах выбора оболочки термопары и её технических характеристиках можно найти в статье «Защитная оболочка датчика температуры THERMOWELL». 2. Методы анализа причин поломки оболочки термопары. В данной статье компания Changhui Instruments проводит анализ оболочек термопар, у которых произошла поломка. Для определения причин разлома и поиска способов его устранения обычно используются методы макроанализа поверхности разлома, анализ химического состава, анализ механических свойств, микроструктурный анализ и анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа. Кроме того, анализ оценки коррозии, модальный анализ и численное моделирование также являются распространенными методами при анализе разрушения трубопроводов, вызванного коррозией конструкций, сильными вибрациями и ударами жидкости. ①Анализ макроразлома. Анализ макроразлома обычно используется для определения места разлома в оболочке термопары – без какой-либо предварительной обработки или после простой ультразвуковой очистки. При этом выявляются такие характеристики, как положение зоны разлома и состояние окружающих её элементов, форма сечения, размеры, границы зоны мгновенного разлома и зоны её расширения, распределение цвета на поверхности разлома, степень ровности и гладкости поверхности в месте разлома, тип разлома, наличие значительных пластических деформаций, наличие коррозийных пятен, а также дефектов сварки, таких как заусенцы. Это позволяет получить первоначальное представление о состоянии оболочки после разлома, что служит основой для дальнейшего анализа. На рисунке 3 показана макрофотография поверхности разлома оболочки термопары; поверхность разлома гладкая и ровная, при этом видны характерные для усталостного разрушения ракушкообразные узоры. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png Рисунок 3. Макроскопическое изображение места разрыва оболочки термопары. ② Анализ химического состава. С обломка разрушенной оболочки термопары берутся образцы, которые затем подвергаются химическому или спектральному анализу с целью определения химического состава материала оболочки. Это позволяет установить, соответствует ли содержание отдельных элементов в реальном материале требованиям, предусмотренным для данного типа материала. Например, Шя Минлиу и его коллеги провели анализ химического состава нержавеющей стали, использованной в разрушенной оболочке; оказалось, что содержание элемента P соответствует требованиям к качественной нержавеющей стали ； Однако содержание элемента S слишком высоко, и превышение этого уровня серьезно влияет на свойства этой термостойкой стали. Это может привести к тепловой хрупкости материала, снижению его прочности при высоких температурах, что, в свою очередь, влияет на срок службы изделий. ③Анализ механических свойств. Анализ механических свойств оболочек термопар проводится в основном с помощью испытаний на растяжение с целью определения того, соответствуют ли фактические механические характеристики материала установленным стандартам. В научных работах был проведен анализ механических свойств оболочек термопар из материала 20Cr25Ni20; оказалось, что прочность на растяжение этих оболочек соответствует стандартным требованиям к таким материалам, однако их пластичность ниже требуемой для стали 20Cr25Ni20. После испытаний на растяжение образцы подверглись определенной пластической деформации. ④Микроструктурный анализ. При микроструктурном анализе поломок оболочек термопар часто берутся образцы из зоны разлома, мест соединения и самого соединения. После шлифовки и полировки эти образцы обрабатываются раствором щавелевой кислоты в соответствующих пропорциях; затем под микроскопом исследуется их микроструктура с целью определения типа матрицы, степени сращивания мест соединения и т. д. Микрофотография металлографической структуры оболочки термопары приведена на рисунке 4. По результатам анализа было установлено, что в структуре основного материала имеется большое количество частиц карбидов, что свидетельствует о высоком содержании углерода в этом материале. Дальнейший анализ показал, что не только количество карбидов велико, но и их распределение имеет явно зоновый характер. Это напрямую влияет на свойства стали, приводя к ее анизотропии. Кроме того, тесты на твердость показали, что образование большого количества частиц карбидов привело к значительному упрочнению материала оболочки термопары. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png Рисунок 4. Микрофотографии металлографического строения оболочки термопары. ⑤ Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа. Анализ с использованием сканирующего электронного микроскопа представляет собой дальнейшее исследование микроструктуры поверхности разлома на основе результатов металлографического анализа. В зависимости от целей анализа обычно используются разные уровни увеличения для наблюдения за структурой поверхности разлома. Этот шаг имеет ключевое значение для определения места возникновения трещин, направления их распространения, размера зоны разлома, характеристик поверхности разлома, а также для оценки причин его возникновения. ⑥Анализ оценки коррозии. Анализ оценки коррозии не является обязательным; он нужен лишь в тех случаях, когда на поверхности имеются заметные пятна коррозии, что может привести к разрушению трубопроводов из-за коррозии. Кроме того, в случае термопарных оболочек, у которых период без обслуживания был слишком длительным и на поверхности зоны разлома образовались заметные оксиды, также может проводиться анализ коррозии. ⑦При анализе модов колебаний разрывы оболочек термопар часто происходят из-за сильных вибраций или даже резонанса. Поэтому также часто используется анализ модов колебаний. Этот анализ может включать как лабораторные испытания, так и симуляции с использованием метода конечных элементов. Целью такого анализа является определение частот собственных колебаний конструкции и жидкости на разных уровнях. Особое внимание уделяется низкочастотным частотам собственных колебаний, поскольку они оказывают значительное влияние на вибрации. Необходимо избегать ситуаций, когда частоты собственных колебаний конструкции и жидкости совпадают или близки друг к другу. ⑧Анализ с помощью численных моделей. Анализ модов, о котором говорилось в разделе, посвященном анализу модов, с использованием программ для анализа с помощью конечных элементов (таких как ANSYS и т. д.), также относится к категории численного анализа. Однако довольно часто для изучения проблемы разрушения оболочек термопар с использованием методов вычислительной гидродинамики (то есть метода CFD). В некоторых исследованиях для численного моделирования процесса воздействия потока на оболочки термопар используется метод больших вихрей; на основе полученных результатов определяется степень нагрузки на оболочки термопар, а затем на основе дальнейшего анализа результатов выдвигаются эффективные меры по снижению этой нагрузки. 3. Причины разрыва оболочки термопары. Причин разрыва оболочки термопары существует множество, и в реальных условиях они могут отличаться друг от друга. Компания Changhui Instruments, на основе полевых исследований, практического опыта и соответствующих данных, подвела итоги по наиболее частым причинам разрыва: ① Дефекты сварки. Анализ мест разрыва оболочки термопары показал, что самые частые случаи разрыва происходят в зоне сварки и в её окрестностях; это во многом связано с дефектами сварки. В литературе при анализе причин разрушения изоляционной оболочки термопары в линии снижения давления упоминается, что из-за низкого качества сварки структура зоны теплового воздействия остается неравномерной. Дефекты в виде заусенцев при сварке приводят к скоплению примесей в области основания внешней стенки; кроме того, микроструктура имеет такие дефекты, как пористость и полости. Под действием сильных ударных нагрузок возникают трещины, которые быстро распространяются, в результате чего происходит разрушение изоляционной оболочки термопары. ②Вибрация трубки: в основной трубопровод, соединяющий трубку термопары, обычно наполняется жидкостью. Если плотность жидкости велика, скорость потока высока и поток имеет турбулентный характер, то рядом с трубкой возникают вихри. Когда эти вихри периодически появляются и исчезают с обеих сторон трубки, это приводит к периодическим изменениям силы подъема и сопротивления на трубке. В результате происходят постоянные изменения распределения давления внутри трубопровода. Давление жидкости, действующее на трубку, также постоянно меняется по своей величине и направлению. Все это в конечном итоге приводит к вибрации трубопровода. Резонанс возникает, когда частота возбуждения жидкости близка к собственной частоте оболочки или даже совпадает с ней. При возникновении сильной резонансной вибрации внутри трубы образуются периодические переменные нагрузки. Трубы, которые долгое время находятся под воздействием значительных переменных нагрузок, могут повредиться из-за усталости в тех участках, где нагрузка наибольшая. ③Коррозионное разрушение. Оболочки термопар часто находятся в экстремальных условиях высокой температуры, высокого давления и высокой влажности, а также в средах с сильной коррозионной активностью. Из-за коррозии оболочки могут разрушаться. Некоторые виды коррозии можно заметить невооруженным глазом, а другие требуют использования методов микроанализа для их выявления. Например, межкристаллическая коррозия; в местах ее наличия часто возникают источники трещин, приводящих к усталостному разрушению. ④Неправильный выбор материала для изготовления оболочки. К оболочке термопары предъявляются высокие требования к прочности материала и способности выдерживать экстремальные условия. Основные причины разрушения оболочки, связанные с неправильным выбором материала, — это три ситуации: во-первых, материал вообще не соответствует требованиям соответствующих стандартов ； Во-вторых, фактически используемые материалы не совпадают с теми, которые были выбраны при проектировании (это проблема, часто выявляемая при анализе химического состава; это также одна из важных причин, по которым необходимо проводить такой анализ) ； В-третьих, при выборе материалов уделяется внимание их прочности, но не учитываются такие характеристики, как стойкость к высоким температурам и давлению, коррозионная стойкость, или же не учитываются долгосрочные последствия этих факторов. ⑤Неправильное монтажное положение термопары. Если место разрыва оболочки термопары находится рядом с изгибами труб, перфорированными пластинами, соединительными элементами и клапанами, то это, скорее всего, связано с неправильным монтажом термопары. Ведь именно в этих местах концентрируются возмущения и энергия. Поэтому, если это не является необходимым для измерения и контроля температуры, место монтажа термопары следует выбирать так, чтобы оно находилось подальше от этих зон. ⑥Неправильная установка термопары. Если оболочка термопары установлена вертикально на трубопроводе, её состояние под действием нагрузок можно описать с помощью модели балки с подвесом. Место разрыва обычно находится в месте соединения оболочки с основным трубопроводом; это место соответствует корню балки с подвесом и является точкой с наибольшими нагрузками, а также местом, где легко возникает концентрация напряжений. Поэтому для тех случаев, когда необходимо использовать термопару при наклонной установке, её можно установить под определенным углом. Кроме того, длина вхождения оболочки термопары в основной трубопровод также является важным фактором, влияющим на её прочность; этот параметр необходимо выбирать разумно. В данной статье в основном рассматриваются методы анализа причин поломки изоляционных оболочек термопар, а также наиболее распространенные причины их разрушения. Приглашаем вас продолжить следить за статьей «Какие существуют меры по предотвращению поломок изоляционных оболочек термопар». Авторы: Юань Вэй, Ян Чжиронг