提高熱電偶使用壽命的研究

李 麗（山東鋼鐵萊蕪分公司自動(dòng)化部，山東萊蕪，271104）

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提高熱電偶使用壽命的研究

李 麗
（山東鋼鐵萊蕪分公司自動(dòng)化部，山東萊蕪，271104）

摘要：本文著重介紹了高爐熱風(fēng)爐混風(fēng)溫度檢測用熱電偶損壞故障分析以及如何提高混風(fēng)溫度檢測用熱電偶的使用壽命。

關(guān)鍵詞：儀表；熱電偶；使用壽命；熱風(fēng)爐

1 概述

高爐混風(fēng)熱電偶，是一種檢測高爐熱風(fēng)溫度的熱電偶。目前高爐生產(chǎn)中，測量高爐熱風(fēng)溫度的方法主要有接觸式和非接觸式兩種測量方式。混風(fēng)電偶測溫屬于接觸式測量，采用混風(fēng)電偶直接插入熱風(fēng)管道進(jìn)行測量。在高溫、高速、高壓熱風(fēng)沖擊下，熱電偶保護(hù)套管極易損壞，使熱風(fēng)從保護(hù)管損壞處逸出，可以對電偶和外部設(shè)備造成嚴(yán)重破壞，影響了電偶使用壽命，迫使高爐休風(fēng)，影響了高爐正常生產(chǎn)。

2 熱電偶的劣化

熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周圍環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢也將極其敏感地發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。

熱電偶的劣化是一個(gè)量變過程，對其定量很困難，將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、氣氛、時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過允許誤差，甚至斷線不能使用的時(shí)間。

2.1 裝配式熱電偶的壽命。我國標(biāo)準(zhǔn)中僅對熱電偶的穩(wěn)定性有要求。即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)200h，使用前后熱電動(dòng)勢的變化。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對使用壽命有規(guī)定。日本有關(guān)熱電偶使用壽命的要求，是依據(jù)日本JIS(C-1602-1995)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱電偶連續(xù)使用時(shí)間。對B、R、S 型熱電偶而言為2000h, K、E、J、T型熱電偶為10000h。

在實(shí)際使用時(shí)，裝配式熱電偶通常有保護(hù)管，只有在特殊情況下才呈裸絲使用。因此，在多數(shù)場合下，保護(hù)管的壽命決定了熱電偶壽命。對熱電偶的實(shí)際使用壽命的判斷，必須是通過長期收集、積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2 鎧裝熱電偶的壽命。由于鎧裝熱電偶有套管保護(hù)與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對鎧裝熱電偶壽命影響很大，須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但使用壽命往往低于裝配式熱電偶。

熱電偶是科研、生產(chǎn)最常用的溫度傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但若使用中不注意仍然會產(chǎn)生較大測量誤差。作者針對使用中容易出現(xiàn)的問題，詳細(xì)探討了測溫點(diǎn)的選擇，熱電偶的插入深度、響應(yīng)時(shí)間、熱輻射及熱阻抗等產(chǎn)生誤差的主要原因，并指出熱電偶不均質(zhì)、使用氣氛、絕緣電阻，K 型熱電偶選擇性氧化、K 狀態(tài)及鎧裝熱電偶分流誤差等使用中的注意事項(xiàng)。對提高測量精確度，延長熱電偶使用壽命有一定幫助。

3 安裝方式

普通的固定法蘭式拱頂電偶構(gòu)造簡單安裝簡便，長期以來我們一直在大量使用固定法蘭式的電偶。但其伸入爐內(nèi)部分由于高溫及熱風(fēng)氣流的原因，其硬度隨著燃燒的時(shí)間而不斷降低，發(fā)生電偶深入爐內(nèi)部分前段下墜、管徑彎曲、內(nèi)部剛玉細(xì)管斷裂，電偶絲在震動(dòng)的情況下會發(fā)生接觸或者纏繞現(xiàn)象，影響測量的準(zhǔn)確性。如果電偶燒蝕情況嚴(yán)重，前段會產(chǎn)生破損，而爐內(nèi)壓力較大，熱風(fēng)會從電偶破損處露出，直接將電偶設(shè)備燒毀。此時(shí)，只能停止熱風(fēng)爐的燃燒，進(jìn)行燜爐處理。電偶本身由于變形彎曲，在進(jìn)行更換時(shí)也不能順利的從電偶預(yù)埋管中抽出，更換極為不變。

4 延長電偶壽命探究

普通的固定法蘭式拱頂電偶構(gòu)造簡單安裝簡便，長期以來我們一直在大量使用固定法蘭式的電偶。但其伸入爐內(nèi)部分由于高溫及熱風(fēng)氣流的原因，其硬度隨著燃燒的時(shí)間而不斷降低，發(fā)生電偶深入爐內(nèi)部分前段下墜、管徑彎曲、內(nèi)部剛玉細(xì)管斷裂，電偶絲在震動(dòng)的情況下會發(fā)生接觸或者纏繞現(xiàn)象，影響測量的準(zhǔn)確性。如果電偶燒蝕情況嚴(yán)重，前段會產(chǎn)生破損，而爐內(nèi)壓力較大，熱風(fēng)會從電偶破損處露出，直接將電偶設(shè)備燒毀。此時(shí)，只能停止熱風(fēng)爐的燃燒，進(jìn)行燜爐處理。電偶本身由于變形彎曲，在進(jìn)行更換時(shí)也不能順利的從電偶預(yù)埋管中抽出，更換極為不變。

后來改進(jìn)型的法蘭式拱頂電偶，在深入部分使用了剛玉或者碳化硅等材質(zhì)的外管，雖然解決了耐熱性不好及內(nèi)管變形不好更

換的問題，但當(dāng)電偶前段在使用壽命完結(jié)時(shí)，前段破裂產(chǎn)生熱風(fēng)跑風(fēng)的問題時(shí)，還是只能停止生產(chǎn)，進(jìn)行燜爐操作。如果此電偶安裝在混風(fēng)管道上，那只能將其堵死，直到高爐休風(fēng)檢修時(shí)再處理，中間無法再看到混風(fēng)的具體溫度，高爐操作人員不能準(zhǔn)確判斷爐溫，只能依照經(jīng)驗(yàn)操作，嚴(yán)重影響高爐順行。

5 混風(fēng)用熱電偶的改造

經(jīng)過長時(shí)間的研究和反復(fù)試驗(yàn)，我們對熱風(fēng)爐的拱頂點(diǎn)偶法蘭進(jìn)行了改造（如下圖1、圖2）。我們將安裝的電偶完全密封在法蘭以內(nèi)，法蘭內(nèi)部管徑上鉆有兩孔，用以內(nèi)部的電偶絲通過雙頭螺栓式接線柱與外界的補(bǔ)償導(dǎo)線相連接。為了保證其密封性與絕緣性，在雙頭式螺栓接線柱中間串上高溫絕緣墊片（如圖3），其中外側(cè)的一邊可以從法蘭外包裹著雙頭式螺栓接線柱穿到法蘭內(nèi)側(cè)，與內(nèi)側(cè)的墊片相接，并通過雙頭式螺栓接線柱兩頭的密封螺母壓緊。

因?yàn)榉ㄌm內(nèi)外壁均為弧形，所以密封螺母在密封式中間會有細(xì)縫，從而影響法蘭電偶的密封性，引起熱風(fēng)漏風(fēng)現(xiàn)象。所以，我們在法蘭后端管徑的管壁上焊接一塊平面鐵板（如圖2），使之與法蘭弧面相切，這樣，外部的密封螺栓就實(shí)現(xiàn)了接線柱的完全密封性。

電偶法蘭外面通過螺栓連接密封蓋，電偶法蘭與法蘭蓋之間有金屬或者石墨墊片，以增加其密封性能。由于電偶法蘭完全密封電偶于爐內(nèi)，保證了其嚴(yán)實(shí)的密封性，即使電偶完全在內(nèi)部損壞，也不會引起漏風(fēng)，跑風(fēng)的問題，保證了高爐的運(yùn)行順暢。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對電偶進(jìn)一步說明。

圖1是密封式法蘭座的正面構(gòu)造圖。

圖2是密封式法蘭座的側(cè)面構(gòu)造圖。

圖3是高溫絕緣墊片。

圖4為外部法蘭密封蓋，在密封時(shí)中間加一層金屬纏繞密封墊，通過四組螺栓將電偶完全密封在法蘭內(nèi)。

6 使用情況

全新的密封安裝結(jié)構(gòu)，使電偶兩端的壓力差降低，消除了已有技術(shù)的不足。具有設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，封裝可靠的優(yōu)點(diǎn)。降低了電偶保護(hù)管的損壞率，避免了熱風(fēng)的逸出。即使電偶套管損壞但偶絲未斷的情況下仍能準(zhǔn)確測量，延長了電偶使用壽命。使用全封閉型混風(fēng)電偶后，維護(hù)量大為減少，維修勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，高爐生產(chǎn)效率大大提高。電偶法蘭外面通過螺栓連接密封蓋，電偶法蘭與法蘭蓋之間有金屬或者石墨墊片，以增加其密封性能。新型的法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)在萊鋼集團(tuán)廣泛使用，取得了不錯(cuò)的效果。由于電偶法蘭完全密封電偶于爐內(nèi)，保證了其嚴(yán)實(shí)的密封性，即使電偶完全在內(nèi)部損壞，也不會引起漏風(fēng)，跑風(fēng)的問題，保證了高爐的運(yùn)行順暢。

李麗（1982 - ），女，工程師，在山東鋼鐵萊蕪分公司萊鋼自動(dòng)化部從事自動(dòng)化控制專業(yè)。

Study of improving working life of thermocouple

Li Li
（Automation department,Shandong Iron &Steel Co. Ltd, Laiwu Shandong 271104）

Abstract：This paper introduces the Thermocouples used in blast furnace hot blast stove to mix the wind temperature detection damage failure analysis,and How to improve the service life of the mixed wind temperature detection with thermocouple.

Keywords：Instrument；thermocouple；working life；hot blast stove system

作者簡介