高温高压条件下新型热电偶密封结构分析与研究

（中核武汉核电运行技术有限公司，武汉 430223）

高温高压条件下新型热电偶密封结构分析与研究

刘妍,施少波,叶景松,王艳芝

（中核武汉核电运行技术有限公司，武汉 430223）

常用的高温高压热电偶是采用护套的安装方式，护套很厚使得温度测量的响应速度以及准确度大大降低。文章提出了一种新型的适用于高温高压管道的自紧式热电偶密封结构，该结构不需要使用保护护套，热电偶可直接与管道内介质接触，提高响应速度，减小测量误差。为验证该结构设计的合理性，通过有限元法对该结构进行了密封性和热应力的分析，计算结果表明该结构最少能够满足15MPa，350℃条件下使用的要求且不会发生密封螺纹的咬死问题。同时，对该结构试件进行了冷态以及热态验证试验。试验结果表明，该结构能够承受70MPa的冷态静压以及满足15MPa，344℃的运行环境要求。

高温高压;热电偶;热应力;自紧式密封

0 引言

日前，在进行模拟核电站的高温高压试验台架测量设计过程中遇到一个难题：按照《HG/T20507-2000自动化仪表选型设计规定》要求，试验管道上（热态15MPa，350℃）的热电偶应选用整体钻孔直形或锥形保护护套管，这种结构的热电偶响应时间较长（60s～120s），不满足实际需求，其原因在于保护护套管的直径较粗，壁厚较厚，热电偶与介质没有直接接触。为提高测温的响应时间，便于仪表的安装与拆卸，本文提出了一种新型的热电偶结构。

本文采用线密封加活套螺纹的方式形成一种自紧式密封结构，该结构不需要垫片，也不需要使用保护护套，热电偶可直接与管道内介质接触。计算结果表明，该结构能满足密封和强度要求，针对该结构进行的冷态水压试验显示，在70MPa的高压下，结构并未发生泄露和损坏。

1 热电偶密封结构

普通螺纹连接方式的热电偶结构如图1所示，其密封依靠于螺纹尺寸和平面垫片。本文借鉴凸镜垫片形式，将弧面与锥面相切的线密封融合到热电偶的结构中，如图2所示。采用该结构的热电偶本体上具有一定的圆弧度，热电偶安装接管上部为一锥面，圆弧和锥面有一个切点，在外活套螺纹的作用下，热电偶本体与热电偶接管贴合成一条线，线密封比面密封的单点作用力大，有利于高压下的密封。

新型热电偶包括活套螺纹、热电偶本体以及热电偶安装座3部分，热电偶安装座焊接在回路管道上，热电偶本体在活套螺纹的作用下，与热电偶安装座实现贴合密封，保证不发生介质泄露。试验回路管段采用的是P91材质，而常规不锈钢材质与P91的热膨胀系数相差较远，为方便安装与焊接，热电偶安装座与活套螺纹均采用与管道同样的材质，热电偶本体采用不锈钢材质，在高温情况下，不锈钢

图 1 普通螺纹连接方式的热电偶Fig.1 Common thread connecting method of thermocouple

图 2 新型热电偶结构Fig.2 New thermocouple

图 3 新型热电偶计算模型Fig.3 The new model for calculating the thermocouple

图4 模型放大效果Fig.4 Model amplification

图 5 弹性计算螺纹接触处的应力MPaFig.5 The stress of the elastic computing thread contact of MPa

图 6 塑性计算热电偶接触压力MPaFig.6 Plastic to solve the contact pressure thermocouple MPa

图 7 冷态水压试验结果Fig.7 Cold water pressure test results

图 8 热态性能试验装置Fig.8 Thermal state performance test device

图 9 热态试验结果（X轴为时间，单位为分钟）Fig.9 Thermal state test results (X axis as the time, the unit is minutes)

材质的热膨胀系数大于P91的热膨胀系数，热电偶本体与热电偶安装座的贴合会愈发紧实，实现自紧式密封。

2 计算验证

本文计算工况内压为15MPa，温度为350℃。由于对热电偶密封螺纹并没有明确的预紧力施加要求，球型线密封也没有明确的密封泄漏的评定标准，为了计算方便，本文以GB150的常规法兰不锈钢垫片为基础，以不锈钢法兰垫片

的密封比压需要的预紧力来推算球型密封的预紧力。相对于法兰垫片，热电偶的球型线密封由于内外材料膨胀系数不一样，在升温过程密封会更紧，因此利用法兰垫片的密封比压推算的预紧力进行评定是偏保守且有余量的。

预紧状态下不锈钢垫片的比压力[2]为179.3MPa，操作状态下不锈钢的比压力由公式1反推为2m×Pc=195MPa。

Fp=6.28×DG×b×m×Pc

其中：Fp为操作状态下需要的最小垫片压紧力；

DG为垫片的压紧力作用中心圆直径；

b垫片有效密封宽度；

m不锈钢垫片系数，为6.5；

Pc计算压力。

本设计热电偶采用316L不锈钢，热电偶安装座套和活套螺纹为P91材料，材料参数根据ASME第III卷D篇[3]选取。建立模型如图3和图4所示。

本次计算采用轴对称模型，对热电偶的一些不影响强度和密封的结构进行了简化。左边部分为热电偶简化模型，右下为安装座套简化模型，右上为活套螺纹简化模型。模型定义了3组接触：热电偶顶部和活套螺纹盖下部的接触；热电偶和安装座套的接触；活套螺纹和安装座套的螺纹接触。计算分两步，第一步计算预紧力过程，第二步计算在15MPa内压和350℃下结构的受力和热电偶的密封性。

在热电偶密封过程和加载过程中，热电偶和安装座套接触的位置可能会发生局部的塑性变形，但是对热电偶结构来说，最重要的是两点：

1）活套螺纹不会发生咬死现象。

2）密封满足要求，不会发生泄露。

基于上述两点，本此计算进行了两次：第一次计算，材料全部定义为弹性材料，相对实际过程，定义弹性材料会对螺纹连接产生更大的膨胀力，此次计算评定螺纹接触受力，只要此情况螺纹接触区域不会发生较大量的屈服，则螺纹不会咬死；第二次计算，材料定义为理想弹塑性材料，理想弹塑性材料会使热电偶和座套的接触压力小于实际情况，此次计算评定热电偶和座套的接触压力，只要此时接触压力大于密封比压，则不会发生泄漏。

图5可以看出，弹性计算时，螺纹处最大等效应力为280MPa，小于P91材料在350℃的屈服强度377MPa。螺纹局部发生屈服并不能判定螺纹一定会发生咬死，但如果计算确认在螺纹接触区域未发生屈服，则可断定在此计算工况下正确安装的螺纹不会咬死。

图6中热电偶的接触压力269MPa，大于预紧状态不锈钢垫片的密封比压179MPa及工作状态的密封比压195MPa，因此不会发生泄露问题。

3 试验验证

3.1冷态水压试验

笔者对活套式螺纹连接热电偶进行冷态水压试验，水压试验压力为70MPa（按照标准《工业金属管道工程施工规范》[4]，15MPa、350℃的设计压力管道的水压试验压力只需要23.5MPa，远小于70MPa），保压时间为5min，试验仪表采用0.1%精度的压力变送器。如图7所示。

图7为试验过程中的P-T曲线，横坐标为时间，纵坐标为试验压力值。笔者分别进行了35MPa和70MPa的水压试验。从右图可以看出，试验装置在514s左右升压至70MPa，随后持续保压了5min，保压过程中压力稳定，未发现压力值下降，热电偶结构未发生泄漏。试验结果证明：自密封结构的热电偶能够满足70MPa冷态水压试验要求。

3.2热态验证试验

为验证该结构的热态性能，本文利用高压釜对该结构热电偶进行了热态性能试验。如图8图9所示。

试验数据表明，在整个升温升压以及降温降压过程中，升温速率为2.28℃/min，热电偶密封结构没有发生泄露。当试验到达热态工况时，稳定25min后，关闭高压釜电源，实施自然冷却降温，降温速率为0.64℃/min，热电偶密封结构也没有发生泄露。

4 结束语

本文提出的热电偶密封结构，利用不同材质的膨胀系数实现了自紧式密封，计算分析结果表明该结构适用于工作压力15MPa，工作温度350℃条件下的温度测量；冷态水压试验结果表明，该结构能够承受70MPa的静压，热态试验表明在15MPa，344℃条件下，升温速率不超过2.28℃/min，降温速率不超过0.64℃/min的情况下，热电偶密封结构能够不会发生泄漏。该结构不需要使用保护护套，热电偶可直接与管道内介质接触，随着保护管外径的减小，其壁厚将减薄，有利于提高热响应时间，减小温度测量误差。

本文设计的热电偶密封结构，在高压以及高温高压管道测温领域具有密封性好、响应快、测量误差小等优点。未来条件成熟后可以在核电厂、石油化工等高温高压管道行业推广应用。

[1]HG/T20507．自动化仪表选型设计规定[M]．北京：全国化工工程建设标准编辑中心,2001：47-50．

[2]GB150．3． 压力容器 第3部分：设计[M]．北京：全国锅炉压力容器标准化技术委员会,2011：192-193．

[3]ASME第II卷D篇材料性能[M]．北京：中国石化出版社,2010．

[4]GB 50235．工业金属管道工程施工规范[M]．北京：中国计划出版社,2010：51．

The Analysis and Research on New Thermocouple Seal Structure Under High Temperature and Pressure Conditions

LiuYan,Shi Shaobo,Ye Jingsong,Wang Yanzhi
（China Nuclear Power Operation Technology Corporation, LTD. Wuhan 430223 Chinga）

Thermocouples used in high temperature and pressure are commonly using the protective seat, the seat is very thick that the response speed and the temperature measurement accuracy is greatly reduced. This paper presents a latemodel self-tight thermocouple structure for high-temperature and high-pressure pipeline, this structure don’t require the protective sheath, and the thermocouple directly contacts with the media in the pipeline, which will improve the response speed and reduce measurement error. In order to verify the reasonableness of this structure, the finite element method was used to analyze the structure sealing and thermal stress, the hydrostatic test was taken for testing the structure. The calculation results indicate that at least the structure can bear 15MPa, 350℃condition without leakage and thread galling problems. Furthermore, the hydrostatic test shows that the structure can withstand the pressure of 70MPa and the thermal state test shows that the structure also works well under the condition of 15MPa, 344℃.

high temperature and pressure,thermocouple,thermal stress,Self-tight sealing

TL332

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.021

2014-4-1

刘妍1982—，女，硕士，工程师，主要研究热工测量与过程控制。