工業(yè)用鎧裝熱電偶測溫性能與發(fā)展

摘要:鎧裝熱電偶作為石油化工、光伏軍工等重大裝備制造領(lǐng)域中的重要測溫傳感器,其用量大、用途廣、壽命長。綜述了工業(yè)用鎧裝熱電偶現(xiàn)狀,以貴、廉金屬鎧裝熱電偶為例，分析了工藝方法對其使用壽命和測溫性能的影響,探討了鎧裝熱電偶中存在的問題,并基于當前發(fā)展趨勢,結(jié)合新型單管多點式鎧裝熱電偶闡述了今后重點研究方向,以期為鎧裝熱電偶的高性能/輕量化制造提供依據(jù)。
0引言
　　熱電偶作為鋼鐵冶煉、光伏傳導(dǎo)和核電火電等現(xiàn)代工業(yè)中的關(guān)鍵測溫元器件,具有精度高,范圍廣,壽命長等特點。將2種不同成分的導(dǎo)體連接成閉合回路,當工作端和冷端存在溫差時便會在回路中產(chǎn)生熱電動勢,這種現(xiàn)象即為塞貝克效應(yīng)。熱電動勢隨著工作端溫度升高而增長，大小只和導(dǎo)體材質(zhì)以及兩端溫差有關(guān),和熱電極長度、直徑無關(guān)中。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同,熱電偶可主要分為裝配式熱電偶和鎧裝熱電偶,裝配式熱電偶通常由細絲形導(dǎo)線、保護外殼和接線頭等組成,具有響應(yīng)快,靈活性高等特點,鎧裝熱電偶是在裝配熱電偶的基礎(chǔ)上為解決直徑大、測溫區(qū)多、難批量生產(chǎn)而發(fā)展起來的,主要由偶絲,絕緣材料,套管經(jīng)焊接密封、拉拔裝配制成。與前者相比,鎧裝熱電偶耐腐性、耐高溫性更強，機械強度更高,更易服役與某些特殊極端環(huán)境中，同時亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件,因此廣泛應(yīng)用在石油化工、電站軍工等溫度監(jiān)測領(lǐng)域。
　　自上世紀50年代荷蘭成功研制出第-支鎧裝熱電偶以來,世界各國在其技術(shù)要求、產(chǎn)品研發(fā)及標準體系方面取得了飛速發(fā)展。根據(jù)偶絲材質(zhì)不同,可主要分成貴金屬鎧裝熱電偶和廉金屬鎧裝熱電偶,由于鎧裝熱電偶的壽命、精度會受到輻射、高溫等特殊環(huán)境的影響,在很大程度上限制了其工業(yè)發(fā)展,因此評估鎧裝熱電偶的使用壽命,分析其測溫性能的影響規(guī)律并在服役結(jié)束時及時更換新的鎧裝熱電偶迫在眉睫。
綜述工業(yè)用鎧裝熱電偶技術(shù)研究現(xiàn)狀，以貴、廉金屬鎧裝熱電偶為對象，分析工藝參數(shù)對其使用壽命和測溫性能的影響,以期為鎧裝熱電偶的高性能/輕量化制造提供理論依據(jù)。
1貴金屬鎧裝熱電偶技術(shù)
　　貴金屬鎧裝熱電偶工藝研究近年來隨著航空航天、石化礦冶等工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展,貴金屬鎧裝熱電偶的應(yīng)用越發(fā)廣泛,獨特的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和偶絲材質(zhì)使其具備優(yōu)秀的穩(wěn)定性及高溫測量能力，如采用PtRh10作為導(dǎo)線材料,可在氧化性氣氛、真空和中性氣氛中工作達1300℃,是1000~1600℃溫區(qū)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶。但值得注意的是,需考慮貴金屬偶絲、絕緣材料、套管間的物理性能是否匹配,避免膨脹系數(shù)差異過大而產(chǎn)生內(nèi)、外應(yīng)力,造成尺寸、晶粒組織變化,最終影響使用壽命和測量精度。根據(jù)熱端斷面結(jié)構(gòu)不同,貴金屬鎧裝熱電偶可分為露端式、絕緣式、接殼式及帶阻滯室式，如圖1所示。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)為保證產(chǎn)品優(yōu)良的絕緣性能，絕緣式貴金屬鎧裝熱電偶工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。
 
　　鎧裝熱電偶失效的主要形式為絕緣破壞,對貴金屬鎧裝熱電偶的絕緣性能開展了卓有成效。從工藝流程而言,各環(huán)節(jié)應(yīng)保證清潔、干燥,工作端應(yīng)進行封裝、包覆或絕緣點膠。從影響因素和質(zhì)量改進等方面發(fā)現(xiàn)絕緣材料質(zhì)量和形態(tài)是確保熱電偶優(yōu)秀高溫絕緣性能的首要條件,若將其由粉末狀燒結(jié)成管狀絕緣電阻能提高近10倍。但當絕緣材料為氧化鎂時,由于其吸濕性很強,潮氣易殘留在鎧材內(nèi),導(dǎo)致絕緣性能下降。因此封裝過程中應(yīng)在測量端保留排氣孔,利用燃燒爐加熱烘烤,同時用兆歐表反復(fù)測量絕緣電阻,當其達到技術(shù)要求時,訊速用點焊封死。此外，由于偶絲位于套管內(nèi)部,通過肉眼難以正確辨識工作端位置,故熱電偶在使用和校準過程中必然存在測量誤差,X射線探傷技術(shù)不僅能解決此類難題,還能對焊接質(zhì)量進行檢查,為指導(dǎo)貴金屬鎧裝熱電偶焊接成形提供了一定的理論依據(jù)。
1.2貴金屬鎧裝熱電偶測溫性能
　　國內(nèi)外對貴金屬鎧裝熱電偶測溫性能研究主要集中在高溫絕緣性能控制、測溫精度影響因素及電勢衰減機理上，對某航空用貴金屬鎧裝熱電偶進行了分析,結(jié)果表明產(chǎn)品使用溫度可達1500℃,精度達到±0.25%t,高溫絕緣性能較好,但遺憾的是并未探明此性能提升的原因。研究發(fā)現(xiàn)隨著偶絲直徑減小，絕緣電阻降低,熱電動勢逐漸減小，將產(chǎn)生分流誤差,同時對比后發(fā)現(xiàn)K型鎧裝熱電偶比S型鎧裝熱電偶更易產(chǎn)生分流誤差。由此可見,通過控制偶絲材質(zhì)及直徑可以實現(xiàn)對鎧裝熱電偶高溫條件下的測溫精度控制。隨著使用時間推移,熱電動勢值的測量溫度與實際溫度的明顯偏差即為電勢衰減。對Pt-13Rh/Pt鎧裝熱電偶在高溫環(huán)境下熱電動勢衰減機理進行了深入研究，圖2所示為1.0的R型鎧裝熱電偶絲竹節(jié)區(qū)SEM形貌[25]。由圖可以看出竹節(jié)區(qū)表面為凹凸不平的溝槽狀蝕溝形貌，說明在高溫氧化性環(huán)境中偶絲揮發(fā)出氣相Pt-Rh并最終沉積于瓷珠表面,使得實際測溫點向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移,絕緣電阻降低,最終導(dǎo)致電勢衰減。
 
　　迄今為止，貴金屬鎧裝熱電偶研究大部分集中在過程工藝、測溫精度控制兩方面,針對其偶絲材質(zhì)的不均勻性研究非常有限。然而，偶絲的不均勻性是反映產(chǎn)品質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性的重要指標,對于同樣待測溫度會因為長度方向，上塞貝克系數(shù)的差異而產(chǎn)生不同的熱電動勢,最終影響測量精度。
2廉金屬鎧裝熱電偶技術(shù)
2.1廉金屬鎧裝熱電偶工藝近年來,隨著如鉑/銠等貴金屬價格的不斷.上漲,有關(guān)廉金屬鎧裝熱電偶的應(yīng)用引起了世界各國注意。廉金屬鎧裝熱電偶整體形貌如圖3所示，與貴金屬鎧裝熱電偶相比,其靈敏度更.高，成本更低廉,可低溫工作,逐漸成為火電化工、大型裂解爐及核反應(yīng)堆等重大裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶。K型鎧裝熱電偶具有使用溫度范圍廣、塞貝克系數(shù)大、靈敏度高、抗氧化性能優(yōu)異等特點,是目前工業(yè)市場用量最大的廉金屬鎧裝熱電偶。
 
　　響應(yīng)時間是反映溫度傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù),是近10年來的重點內(nèi)容。采用熱管法可有效解決數(shù)據(jù)采集復(fù)雜。測試精度不.足的問題四。保護套管在高溫條件下會影響廉金屬偶絲的有效熱交換，使動態(tài)誤差進一步增大”。構(gòu)建動態(tài)補償模型具有成本低.效果好.易實現(xiàn)的優(yōu)點,能有效改蓍上述情況。一種新的動態(tài)補償模型設(shè)計方法,發(fā)現(xiàn)使用該模型時間常數(shù)可減小至1.91s,工作頻率可拓寬至1.56H。在此基礎(chǔ)之上,利用數(shù)值模擬技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),隨著填充密實度增大,絕緣層熱導(dǎo)率增大,熱電偶響應(yīng)速度加快,這為動態(tài)特性的工藝設(shè)計校準提供了一種新思路。由于鎧材在拉撥過程中添加了有機潤滑劑,使得熱處理過程中易出現(xiàn)政密黑色氧化皮,導(dǎo)致產(chǎn)品外觀劣化。發(fā)現(xiàn)通過酸洗+拋光工藝可有效去除氧化皮,并對比分析了不同酸洗方法對熱電勢的影響,為皚裝熱電偶外觀養(yǎng)護、檢修提供了理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。圖4為某焦爐用K型愷裝熱電偶鎳鉻絲鎳硅絲的熱端斷口形貌,由圖可以觀察到各斷口均存在嚴重氧化現(xiàn)象,鎳鉻絲斷口呈明顯河流花樣狀,為解理斷裂,鎳硅絲斷口存在明顯粗大品粒和晶界開裂現(xiàn)象，為沿晶斷裂,各向測試結(jié)果綜合表明鎳鉻端發(fā)生了擇優(yōu)氧化,造成鎳硅端過熱。組織粗大,最終導(dǎo)致偶絲斷裂,并認為合理選擇熱電偶工藝,采用較小的長徑比及盡量避免介質(zhì)介入和氧化皮產(chǎn)生可有效避免此類問題。此外，為避免套管出現(xiàn)銹蝕.爆裂等情況,在研制時應(yīng)使外套管材質(zhì)與外殼材質(zhì)盡量--致,裝配時選用鋼絲綁扎安裝時避免彎折口。若套管內(nèi)壁存在凹坑或嵌入了氧化鎂,則內(nèi)壁易遭受較大應(yīng)力面出現(xiàn)成分偏析,導(dǎo)致套管斷裂”。與此同時,廉金屬鎧裝熱電偶的加工工藝規(guī)范,結(jié)構(gòu)特點及注意事項，為后續(xù)的精度控制試驗和工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。
 
 
2.2廉金屬鎧裝熱電偶測溫性能
　　電勢漂移是指熱電偶在使用過程中由于溫度梯度而引起的電勢變化。近年來，諸多學(xué)者對廉金屬鎧裝熱電偶電勢漂移方面發(fā)現(xiàn)電勢漂移主要由可逆和不可逆2種變化組成,通過高劑量輻照后熱電動勢顯著增大,在400℃時最高漂移可達+173μV。試驗表明其高溫穩(wěn)定性大大提高，在850℃和1000h條件下,熱電勢變化不超過±5℃。圖5所示為1000℃下保護套管材質(zhì)為316不銹鋼、2520不銹鋼以及GH3039合金的熱電偶電勢變化情況,由圖5可以看出,保護套管為CH3039的熱電偶使用壽命最短,電勢漂移最高可達470μV;進-一步分析表明,保護套管為2520不銹鋼的熱電偶使用壽命最長,能連續(xù)工作270h且電勢漂移較低。可見,通過選擇更高質(zhì)量的保護套管能有效降低電勢漂移。此外,當材料成分、加工工藝或檢測方法不當時都易導(dǎo)致廉金屬鎧裝熱電偶的測溫偏差,研究提出了提高測溫精度的方法:(1)選用純凈度、均勻性高的偶絲;(2)壓實絕緣物,避免在惰性氣體中使用;(3)合理制定熱處理工藝和測試方法。
 
　　綜上所述,通過分析動態(tài)響應(yīng)、電勢漂移等方面對廉金屬鎧裝熱電偶測溫性能的影響,提出了改進其測溫精度的措施與方法,一方面可利用ANASY等數(shù)值模擬軟件詳細分析測溫過程變化,另一方面可進行線掃描分析等科學(xué)實驗表征測溫精度與宏觀工藝參數(shù)間的定量關(guān)系。但仍存在一-些不足,如廉金屬鎧裝熱電偶熱端既要焊牢又不過燒,對操作者技術(shù)要求很高，尤其是某些核場、軍工用的高性能熱電偶。因此,對用戶而言,工作端質(zhì)量必須嚴格進行廠檢測,不合格產(chǎn)品必須放棄。對生產(chǎn)廠家而言,測量端必須科學(xué)選材、制定合理裝配工藝以便更好地制造出壽命、精度高產(chǎn)品。
3鎧裝熱電偶技術(shù)發(fā)展趨勢
　　近年來，隨著車輛工程、能源工程熱工自動檢測等工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展,鎧裝熱電偶的應(yīng)用得到全面提升，其用量大,用途廣,壽命長。從工藝方法、動態(tài)響應(yīng)特征、高溫絕緣特性等多方面進行了詳細闡述,取得了諸多有益成果。然而，隨著鎧裝熱電偶向著高性能、高壽命和輕量化的逐步發(fā)展,對其低成本制造，多區(qū)域測溫和高測量精度提出了更高要求。新型單管多點式鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)如圖6所示,作為一種能同時檢測多個溫度點的測溫傳感器,其相比傳統(tǒng)鎧裝熱電偶具有如下優(yōu)點:(1)分布靈活,測溫點多。外保護套管內(nèi)最高能集成30個測溫點,能更全面地反映工件內(nèi)部溫度和底部靠近出口及頂部靠近入口溫度;(2)響應(yīng)時間快,測量精度高。由于外保護管壁厚多為1.5~3.0mm,其熱傳導(dǎo)效果更好,能有效減少溫度測量的滯后性;(3)密封性好，安全性高。采用二級密封技術(shù),若第--級密封泄漏，產(chǎn)品不僅能繼續(xù)工作,還能通過壓力指示儀立即檢測出泄漏處以便及時維護;(4)安裝更換便攜靈活。產(chǎn)品可根據(jù)用戶需求定制,各長度可調(diào),能從反應(yīng)器頂部底部或側(cè)面安裝,無需額外加厚承壓外保護套管。當前,新型單管多點式鎧裝熱電偶的外保護套管多為奧氏體不銹鋼，若在還原性介質(zhì)中工作測溫性能難以滿足用戶要求，在實際生產(chǎn)中可替換成熱傳導(dǎo)性更好、氣密性更高且耐高溫、耐腐蝕的石英套管,進行裝配效果會更佳。
 
　　新型單管多點式鎧裝熱電偶測溫效率高,安裝便捷,安全可靠,通過研究其工藝質(zhì)量與測量精度控制，推進其工業(yè)化及輕量化生產(chǎn),不僅能為全面準確反映工件多區(qū)域溫度變化提供一種高效率、低成本的生產(chǎn)方法,還能為類似單管多支式的鎧裝熱電偶技術(shù)提供理論依據(jù),實現(xiàn)性能、精度及壽命高的控性/控形一體化制造。因此，未來鎧裝熱電偶技術(shù)還應(yīng)就以上方面開展重點。
4結(jié)語
　　鎧裝熱電偶由于獨特的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，能充分保證耐腐蝕、耐高溫和高強度等性能,廣泛應(yīng)用在光伏擴散爐航空發(fā)動機燃燒室、核電反應(yīng)堆等尖端領(lǐng)域。經(jīng)過多年研究,已成功實現(xiàn)貴、廉金屬鎧裝熱電偶的工業(yè)化生產(chǎn),前者是1000~1600℃內(nèi)應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶,具有精度高,穩(wěn)定性好等特點;后者是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶,具有成本低,測溫區(qū)域?qū)挼忍攸c。在國內(nèi)外眾多基礎(chǔ)上綜述了工業(yè)用鎧裝熱電偶技術(shù),根據(jù)偶絲材質(zhì)不同,對貴金屬鎧裝熱電偶和廉金屬鎧裝熱電偶進行了詳細介紹,分析了工藝參數(shù)對其使用壽命和測溫性能的影響規(guī)律,探討了鎧裝熱電偶中存在的問題，并結(jié)合當前工業(yè)市場前景,基于多區(qū)域測溫需求,拓展了鎧裝熱電偶的重點方向，即大力推廣和發(fā)展新型單管多點式鎧裝熱電偶技術(shù),通過單管多支的方式實現(xiàn)更高效集中,更低成本的的溫度測量,完善了鎧裝熱電偶的技術(shù)理論,為鎧裝熱電偶的“性”/“形”一體化制造提供了理論依據(jù)。