汽轮机调节级温度计元件是保证机组安全、经济运行的重要设备，北京能源集团有限责任公司的7台C157型汽轮机组调节级温度计套管曾发生磨损或断裂故障，给机组的安全稳定运行带来了很大隐患。为了解决这一共性问题，北京能源集团有限责任公司制订了在高压隔板套上加装热电偶保护套管的改造方案，并将改造方案在公司6台机组上进行了推广实施。

实施改造的汽轮机型号为C157型N600-16.7/538/538，型式为亚临界、一次中间再热、 3缸4排汽、单轴、凝汽式汽轮机，由上海汽轮机厂有限公司制造。机组额定功率600 MW，主汽门前蒸汽额定压力16.7 MPa，额定温度538 ℃；再热蒸汽额定压力3.223 MPa，额定温度538 ℃。

汽轮机组启动时，为了控制转子和汽缸的应力水平（在任何工况下蒸汽温度不得超过金属温度111 ℃，或低于金属温度56 ℃），需要利用热电偶来监测蒸汽温度^[1]。由于汽流会对热电偶造成损害，一般需要用2—3层套管进行保护。

C157型N600-16.7/538/538汽轮机调节级蒸汽温度计由外套管、内套管和热电偶组件构成。外套管最上部焊接在内缸外壁，下部穿过内缸插入高压隔板套，内套管上部（扩口部位）距缸体水平中分面1160 mm±0.5 mm（距内缸与外套管焊接平面55 mm±0.5 mm）。调节级金属温度计外套管底部与高压隔板套留有6.2 mm间隙。调节级蒸汽温度计外套管顶部壁厚10.3 mm。内套管在完成外缸扣缸工作后安装于外缸外壁。热电偶插入内套管后进行固定。

因汽轮机进汽温度、压力及流速都非常高，对套管的冲击十分大，近年来多次发生过温度计套管断裂、泄漏故障。C157型N600-16.7/538/538汽轮机的调节级温度计套管布置于上汽缸，故障主要表现为磨损、变形或断裂。

（1）2011-07-13，某电厂2号机组在揭缸过程中，发现调节级蒸汽温度计套管外壁存在摩擦痕迹，如图 1所示。

图1(Figure 1)

图1 温度计套管与内缸摩擦痕迹

（2）2014-03-02，某电厂1号机组在揭缸过程中，发现调节级金属温度计及调节级蒸汽温度计套管中部均有磨损痕迹。

2013-10-25，在某电厂2号机组揭缸过程中，发现高压外缸调节级温度计套管左侧弯曲变形，右侧断裂。

（1）2013-05-03，某电厂1号机组在揭缸过程中，发现调节级金属温度计及调节级蒸汽温度计套管均断裂，断裂套管插于高压隔板套孔内。

（2）2013-07-02，某电厂3号机组在揭缸过程中，发现调节级金属温度计及调节级蒸汽温度计套管均断裂，其中蒸汽温度计套管已碎成数节（如图 2所示），断裂部分进入汽轮机通流部分后，将调节级叶片排汽侧及第一级静叶击伤（严重卷边，卷边深度达5.5 mm），每只叶片损伤面积约为40 mm×15mm（如图 3所示）

图2(Figure 2)

图2 温度计套管碎裂情况

图3(Figure 3)

图3 调节级叶片损伤情况

（3）2013-08-29，某电厂3号机组在揭缸过程中，发现调节级左侧蒸汽温度计套管断裂，内套管外壁有磨痕。

如图 4（调节级蒸汽温度计套管配合示意图）所示，汽轮机制造厂的原设计中，外套管与高压内缸之间存在1段10 mm长的定位面，用于安装时固定套管位置，热电偶套管与高压内缸上的热电偶孔之间的配合为过渡配合。这样设计的目的是为了缩短细长热电偶在套管中受汽流扰动部分的长度。

图4(Figure 4)

图4 调节级蒸汽温度计套管配合示意图

图5(Figure 5)

图5 调节级蒸汽温度计套管配合局部结构

如图 5（调节级蒸汽温度计套管配合局部结构）所示，汽轮机制造厂原设计中，外套管与持环之间为间隙配合，单侧间隙达2.5 mm，该间隙既可保证热电偶套管在外缸和内缸之间的热膨胀差，又可保证套管受高压汽流扰动时产生的振动不会引起与持环孔壁发生碰撞^[2]。

根据温度计套管的故障现象，对故障原因进行了排查分析。

温度计套管的金属材质不合格时，易因汽流的冲刷、腐蚀而发生断裂。对已断裂的温度计套管进行了金属材质检验，检验结果符合要求^[3]。

（1）制造单位在加工外缸、高压隔板套和内缸温度计套管孔时，采用逐件加工方式，如果孔的中心定位出现偏差，会造成2个部套之间不同心。而制造厂家一般不对温度计套管进行整体试装，发货到现场后，因加工能力不足，未采取有效措施进行校正。

（2）内、外套管为单支点结构，运行过程中高速汽流会引起套管振动，形成横向剪切力，使外套管因高频振动而发生疲劳断裂。

（3）蒸汽流经温度计套管时，如温度计套管固有频率和流体旋涡脱落频率相同而产生共振，会加快温度计套管损坏速度，短时间内发生断裂^[4]。

（4）温度计套管的加工缺陷导致应力集中，引发套管断裂。

（1）安装、检修单位不重视温度计外套管的安装质量，在部套安装过程中未对温度套管进行试装。

（2）忽视加工误差，错误地将热电偶套管先行焊接在内缸上再整体落缸，造成套管弯曲、存在初始应力。

（3）虽考虑了加工误差，但错误地将套管单侧打磨强行回装，造成套管强度下降^[4]。

（4）现场对高压内缸热电偶孔扩孔，导致外套管与内缸之前的定位面消失，加剧了蒸汽力对套管的影响。

（5）现场对持环扩孔但加工不到位，没有保证热电偶套管与加工后的孔之间有足够的间隙；同时，外套管和内缸之间的焊接质量不佳，导致焊缝的热影响区出现裂纹，加快了套管的断裂进程。

机组运行过程中发现，用同样方法安装的温度计套管，有些运行1个大修周期后也未出现问题，而另外一些在机组初次启动过程中就发生了断裂（这类故障一般就是安装工艺不当造成的）。如某电厂二期工程2台600 MW机组在安装过程中就发现内缸与高压隔板套温度孔不同心，提前对高压隔板套温度孔进行了加工处理，机组自2007年投产以来，揭缸后2台机组的温度套管只存在一些摩擦痕迹；而一期工程1号机组温度计套管安装时未进行处理，已发生了2次断裂事故。

结合机组检修实际情况，制订了在高压隔板套上增设热电偶保护套管的改造方案，以降低调节级后汽流对外套管的影响，同时防止套管断裂损伤通流叶片。

（1）进行1次部套试装工作，确定外缸、内缸及高压隔板套温度孔的同心度偏差。如同心度不合格，需要对高压隔板套温度孔进行加工处理。

（2）在高压隔板套内表面调节级后蒸汽热电偶位置加工2个内径52 mm、螺距3 mm、深55 mm的螺纹孔（均位于持环上半部），规格如图 6所示。

图6(Figure 6)

图6 高压隔板套加工螺纹规格

（3）加工2个温度计套管螺纹保护套，如图 7所示。

图7(Figure 7)

图7 温度套管螺纹保护套加工图

（4）将螺纹保护套旋入高压隔板套中，并在外部进行焊接，如图 8所示。

图8(Figure 8)

图8 高压隔板温度计保护套装配图

（5）对内缸上原有温度计套管进行割除处理，更换新加工的外套管。

（6）安装时将外套管插入后再提起6.4~6.5mm。

（7）套管中心对正后进行焊接。

（8）内套管安装时先将内外缸安装就位，再将套管由外缸插入。插入时套管不得出现碰磨、卡塞现象，内套管插入外套管底部后提起6.4~6.5 mm。

（9）将内套管找正后进行焊接。

（10）由于是在铸件上进行焊接，焊接过程中应控制好预热温度、焊后热处理，并做好焊接应力消除措施。

（11）焊后首先进行外观检查，检查合格后进行RT检验，表面不允许有未焊透、裂纹、气孔、夹渣、夹钨、内部凸状、弧坑裂纹等缺陷。

根据实践经验，为提高温度计套管的安全可靠性，延长使用寿命，安装、检修时应注意以下事项。

（1）严格控制外缸、内缸及高压隔板套温度孔的加工工艺，并在制造厂内进行试扣缸检查，保证同心度合格后再发往电厂。

（2）内、外套管应考虑双支点固定，增加套管的稳定性，防止共振。

（3）安装时提前检查外缸、内缸及高压隔板套温度孔同心度，消除加工误差^[3]。应优先加工高压隔板套，不能对温度计套管外壁进行加工或打磨，防止因温度计套管的直径减小而造成套管的强度下降。

（4）温度计套管、焊材的材质要进行光谱复查。

（5）做好焊缝检查，严防焊口裂缝、断裂等异常情况的发生。

（6）严格控制安装、检修质量，按照制造厂家提供的安装工艺进行安装与焊接，既要保证套管的定位，又要保证提升量。

（7）机组启、停过程中，严格控制蒸汽温度与金属温度的差值、汽缸的胀差、绝对膨胀值。

通过为温度计套管加装保护套，可补救汽轮机测温部件加工、安装工艺存在的不足，避免因温度计套管断裂引发的蒸汽泄漏、调节级叶片损伤及推力轴承温度异常偏高等问题^{[4, 5]}，处理方法可供电厂解决类似问题时参考。同时，鉴于调节级温度计套管断裂会对机组造成严重损害，建议各有关单位应充分重视和加强温度计套管的设计、安装和运行监督检查工作。