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热电偶的长期稳定性问题
作者:广州德力权仪表有限公司
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作为常用的温度传感器之一的热电偶(包括K分度、E分度、T分度等)测温元件,其长期稳定性是一个非常重要的技术指标,尤其是对于燃煤发电厂这类维修难度较大的企业,更是如此。通俗地说:所谓产品的长期稳定性,它体现了当将其安装到设备上以后,能使用多长时间而又不改变其精确度,对于用户而言,长期稳定性的时间就越长越好。

因此,如何能使热电偶测温元件是具有更长的使用寿命,是每个热电偶生产厂家必须充分重视和解决好的重要问题;而决定热电偶测温元件长期稳定性好与不好的最重要的因素,我们认为,依次是材料的选择和工艺制定与实施。

○热电偶测温元件的基本结构

热电偶测温元件的基本结构通常由热电偶丝材(裸丝)、铠装导线(材料)、补偿导线、外保护管以及其他辅助安装配件如螺纹、法兰、卡套、接线盒、插头等组成。不同的工况环境,就有不同的结构。

○生产热电偶测温元件的主要材料及其长期稳定性的分析

生产热电偶测温元件的主要材料包括热电偶丝材(裸丝)、铠装导线、绝缘材料、外保护管、补偿导线以及安装固定配件(例如螺纹、法兰、接线盒、接插件等),分述如下:

1. 热电偶丝材——热电偶的核心材料,它决定了热电偶的精度能否达到所需要的等级,以及所能测量的温度范围;不同分度号的热电偶丝材,由不同的两种合金丝组成,分别为正极与负极;例如:K分度号热电偶丝材,其正负极的合金材料分别是镍铬(NiCr)与镍硅(NiSi)或镍铝(NiAl)。
决定热电偶丝材的精度和使用寿命的最主要因素,是其两极合金的成分组成,下表所列的是国产丝材(K分度)与德国丝材的化学成分对照表:

K分度偶丝化学成分对照表
newmaker.com

从上表中可以看到,德国丝材的化学成分中添加了不少其它的稀有元素,从而确立了德国丝材所具有的优良的精度和长期稳定性能。

关于热电偶丝材,有一个误区要明确,以K分度热电偶为例,很多人都认为它可以测量到1300℃,这没错,其熔点可达到1370℃;但是,上升到这个温度能用多久,这不但与丝材本身的抗高温氧化性能有关,而且与其配套的保护层材质、绝缘材料、外保护管等都有关系;例如,如果用普通不锈钢(比如1Cr18Ni9Ti)做外保护管,那么其最高温度也就是800~900℃左右;因此,说到热电偶的最高测量温度问题,必须与其使用寿命和配套的材料的耐温性能结合起来。

2. 铠装导线(铠装材料)

(1) 铠装导线的构成

(2) 影响铠装导线长期稳定性的因素主要有三个方面:首先是铠装合金层的合金成分是什么,合金成分是否齐全?因为对于不同的工况环境和温度范围,应该选用不同的合金,以适应实际使用的需用。常用的铠装合金层材质及适用工况如下表:

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对于燃煤发电厂使用的铠装热电偶,在900℃以内的工况条件下,我们推荐使用铠装合金层材质为AISI316或AISI316L的德国产品,这是耐酸耐油耐碱或腐蚀的最好材质之一,尤其是使用在锅炉壁温测量汽缸壁温的测量上,其使用寿命可达到一个大修期(60个月);在这种合金中,其成分分别含有Cr17.06%、Ni10.53%、Mo2.10%、Mn1.13%、Si0.49%、N0.06%及P0.03%(德国材料配方);在这些成分中,微量元素是否含有非常关键,它们的存在与否反映在合金的性能上,就表现为是否会生锈、受到腐蚀和裂开等情况(图片说明这种现象)。目前使用该种材质的铠装热电偶用于上述壁温测量的厂家有:广东惠州平海发电厂有限公司(2×1000MW),广东粤华发电有限责任公司黄埔发电厂(2×300MW)、广东阳西海滨电力发展有限公司(2×600MW超临界机组)、广东湛江电力有限公司(4×300MW)、粤电集团珠海发电厂(2×700MW)、粤电集团沙角C电厂(3×600MW)、广东珠海金湾发电有限公司(2×660MW)等单位,均取得了预期的效果。

影响铠装热电偶导线长期稳定性的第二个因素是绝缘填充物(通常是Al2O3或MgO)的纯度够不够,纯度不够,会很快降低铠装热电偶的绝缘强度 ,进而影响其测量的准确性。第三个因素是铠装热电偶导线生产过程中的退火时间和退火温度是否符合生产规程的要求,如果达不到要求,铠装热电偶容易出现开裂等情况。这一点我在2009年《世界仪表与自动化》专业期刊第四期的文章“镍荃热电偶的高温性能和长期稳定性”中进行过讨论。

我公司使用的铠装热电偶导线,是德国MiL公司的产品,而且我公司是MiL公司在中国的总代理商。

3. 绝缘材料

用于热电偶的绝缘材料主要有两大类,一是用物铠装热电偶导线填充物的绝缘材料,如上所述,通常为Al2O3或MgO,其纯度均要求≥96%,以确保其在高温情况下绝缘性能不会降低;二是用于补偿导线绝缘层的绝缘材料,通常有氟塑料,硅胶和PVC;由于PVC的耐油性能较差,故通常不选用其作为绝缘层材料。对于氟塑料的绝缘材料,其耐腐蚀性能良好,但应注意氟塑料材料,有两大类,一类叫做聚四氟(F4),其最高耐温通常在200℃;另一类叫聚全氟(PTF),其最高耐温可达到260℃甚至更高,而且耐腐蚀性能比F4要强得多。氟塑料有一个明显的不足是使用时间长时会变硬;因此可以考虑选用硅橡胶作为绝缘层材料,同样是有较好的耐油性能,而且不会象氟塑料那样容易变硬;

4. 外保护管的使用寿命取决于其合金的材质;在一般情况下,选用AISI304L或1Cr18Ni9Ti材质的不锈钢保护管声均可以;对于有较强腐蚀气氛(例如酸碱或油污等)的环境,应选用316或316L或316Ti材质的外保护管,只要是成分齐全,应该不会出现锈蚀等现象;问题是国产的许多不锈钢材料,其成分均不够齐全,甚至出现311、211等材质的情况,导致外保护管出现锈蚀、磨断、开裂等现象,进而影响了热电偶的使用寿命。

我公司用燃煤发电厂的外保护管,除有特别要求外,均选用AISI316L材质的保护管,力求产品有更长的使用寿命。

5. 补偿导线

在充分考虑上述因素的前提下,再进行材料与零配件的选择。选择好材料与零配件之后,要确定生产工艺,首先要做的是如何焊接好热电偶丝材并做好绝缘保护,以确保长期稳定;其次是生产环境必须保护较稳定的温度和湿度,以确保生产过程中热电偶的绝缘电阻稳定可靠;第三,每支产品必须经过至少三道检测,即第一是对热电丝材的检测(精度、分度号)等,第二是生产过程的检测(精度、绝缘电阻强度、具体尺寸等),第三是入库前的全面检测(精度、绝缘电阻强度、具体尺寸、安装固定方式等),依照国家检定规程的要求,无一遗漏地进行检测,以确保产品的合格。

综上所述,一支热电偶温度传感器,要使其具体良好的长期稳定性,材料的选择和工艺的确定是关键!正所谓“巧妇难为无米之炊”没有好的材料,没有合适的生产工艺,肯定就做不出具有优异长期稳定性能的产品。

我公司致力于用德国进口材料,生产替代进口的各类热电阻、热电偶、双金属温度计等产品,不断吸收和改进德国厂家的生产工艺;经过十多年的努力,我公司的产品在发电行业得到了较广泛的应用,目前已有至少15家燃煤发电厂在使用我公司的产品。我们坚信,把长期稳定性能优异的产品应用至燃煤发电厂上,一定会受到广大燃煤发电厂欢迎!(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/26/2016)
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