热电偶套管断裂失效分析综述

图 ３ 热电偶套管断口宏观照片
２．２ 化 学 成 分 分 析 在断裂的热 电 偶 套 管 上 取 块 状 样 品，利 用 化
学分析或能谱 分 析 方 法，对 套 管 基 体 材 料 的 化 学 成分进行分析，主 要 确 定 实 际 材 料 各 成 分 元 素 含 量与牌号材料 的 有 关 规 范 要 求 是 否 相 符，例 如 夏 明六等对某断裂套管不锈钢进行化学成分分析 ［３］ 发现：其 Ｐ元素的含量符合该优质钢材料的要求； 但 Ｓ元素含量偏 高，而 Ｓ含 量 的 超 标 对 该 耐 热 钢 的性能危害极大，可能引发该材料的热脆性 ［４］，高 温 持 久 强 度 减 弱 ，从 而 影 响 套 管 的 使 用 寿 命 。 ２．３ 力 学 性 能 分 析
扫描电镜分析一般是在金相分析基础上借助 扫描电子显微镜对断口微观形貌作进一步的观察
图 ４ 热电偶套管金相显微照片
和分析，根据分析需要，通常要选择多个不 同的放 大倍数分别进行观察，是判断裂纹起源位 置、扩展 方向、扩展区大 小、瞬 断 区 形 貌 和 断 口 特 征，进 而 评价套管断裂原因的关键步骤。 ２．６ 腐 蚀 评 价 分 析
热电偶套管 断 裂 的 金 相 分 析 常 取 断 口、焊 接 点 和 接 头 的 金 相 样 品 ，经 碾 磨 抛 光 后 ，用 适 当 比 例 的 草 酸 溶 液 腐 刻 ，再 在 显 微 镜 下 观 察 其 金 相 组 织 ， 确定基体组 织 类 型、焊 接 点 熔 合 状 况 等。 某 热 电 偶套 管 金 相 显 微 照 片 如 图 ４所 示，经 分 析 发 现 基 体组织中碳化 物 颗 粒 数 量 较 多，表 明 该 套 管 材 料 的含碳量很高，进 一 步 分 析 发 现 不 仅 碳 化 物 数 量 多 ，而 且 其 分 布 还 呈 明 显 带 状 ，这 将 直 接 危 害 到 钢 材性能，导致材料产生各向异性 。 ［５］ 此外，硬度测 试发现大量碳化物颗粒相的析出使得热电偶套管 材料发生了明显硬化。 ２．５ 扫 描 电 镜 分 析
第 ６期 袁 伟等．热电偶套管断裂失效分析综述
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热电偶套管断裂失效分析综述
袁 伟 杨智荣
（中 国 特 种 设 备 检 测 研 究 院 ）
摘 要 热电偶套管断裂是它在实际应用中常见的失效形式，对该问题的研究方法进 行 归 类 说 明，对 断 裂 失 效 的 一 般 原 因 加 以 归 纳 分 析 ，对 套 管 断 裂 的 预 防 措 施 进 行 概 括 总 结 。 关键词 热电偶 套管 断裂 失效分析 中图分类号 ＴＨ８１１ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００３９３２（２０１９）０６０４２５０４
热电偶套管的力学性能分析主要通过拉伸试 验等确定材料实际力学性能是否符合标准力学性 能指标 要 求，文 献 ［３］中 对 某 材 料 为 ２０Ｃｒ２５Ｎｉ２０ 的热电偶套管 进 行 力 学 性 能 分 析 发 现：套 管 的 抗 拉 强 度 满 足 材 料 标 准 性 能 要 求，而 塑 性 低 于 ２０Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢要求，拉 伸 试 验 后 试 样 出 现 了 一 定 的塑性变形。 ２．４ 金 相 分 析
热 电 偶 是 测 温 仪 表 中 常 用 的 感 温 元 件，在 工 业 生 产 、科 学 研 究 等 领 域 应 用 广 泛 ，它 直 接 测 量 介 质温度，并实时将温度信号转换为热电动势信 号， 再通过电气仪 表 转 换 为 被 测 介 质 温 度，以 实 现 对 温度的 显 示、传 输 和 控 制。 由 于 多 用 于 高 温、高 压 、高 腐 蚀 性 介 质 及 高 流 速 流 体 冲 击 等 场 合 ，为 保 证温度传感 器 正 常、安 全、稳 定 工 作，热 电 偶 一 般 均设有套管保护 。 ［１］ 虽然热电偶套管的设计初衷 是为热电偶的 正 常 工 作 提 供 保 护，实 际 应 用 中 也 多能起到保护 作 用，但 从 目 前 热 电 偶 发 生 故 障 的 类型分析发现：套管断裂仍是最常见的失效形 式。 笔者对热 电 偶 套 管 断 裂 的 研 究 方 法 进 行 归 类 说 明 ，对 断 裂 失 效 的 一 般 原 因 加 以 归 纳 分 析 ，对 套 管 断裂的预防措施进行概括总结。 １ 热 电 偶 套 管 与 容 器 壁 连 接
图 ２ 热电偶套管连接示意图
扫 描 电 镜 分 析 方 法 。 此 外 ，腐 蚀 评 价 分 析 、模 态 分 析和数值模拟 分 析 在 由 结 构 腐 蚀、强 烈 振 动 及 流 体冲击等 造 成 的 套 管 断 裂 分 析 中 也 是 常 用 的 方 法。 ２．１ 宏 观 断 口 分 析
宏观断口分析一般用于在对热电偶套管断裂 部位不作任何 处 理 或 经 简 单 的 超 声 波 清 洗 后，确 定断裂区位置 及 其 附 近 构 件 整 体 状 况、断 面 形 貌 特征、尺寸、瞬断区与扩展区区分、断口颜 色分布、 断裂部位平整 度、光 滑 度、断 裂 类 型、有 无 明 显 塑 性变形、有无腐蚀斑点及有无咬边等焊接 缺陷，以 建立对套管断 裂 状 况 的 初 步 认 识，为 进 一 步 分 析 研究奠定基础 。 ［２］ 图 ３为一热电偶套管断口宏观 照片，断口表面平滑光整，并可见疲劳断裂 特有的 贝壳状花纹。
图 １、２分别为一种热电偶套管结构及其与容 器壁连接形式。
图 １ 热电偶套管结构示意图 ２ 失 效 分 析 方 法
对发生断裂 的 热 电 偶 套 管 进 行 分 析 研 究，确 立 断 裂 原 因 ，找 到 应 对 措 施 ，一 般 会 用 到 宏 观 断 口 分 析、化学 成 分 分析 、力 学性 能分 析、金 相分析和
基金项目：中国特种设备检测研究院 ２０１８年青年基金项目（２０１８青年 ２１）。 作者简介：袁伟（１９８９），助理工程师，从 事 管 道 振 动 与 控 制、特 种 设 备 仿 真 与 安 全 评 价 的 研 究，ຫໍສະໝຸດ Baiduｕａｎｗｅｉ＠ ｂｉｐｔ．ｅｄｕ．
ｃｎ。
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化 工 自 动 化 及 仪 表 第 ４６卷