一種分體式節(jié)能熱電偶的研制

丁錫端，丁剛，袁振東

（1.杭州億泰自控設(shè)備有限公司，杭州311413；2.杭州富陽(yáng)富春江儀表廠，杭州311413；3.洛陽(yáng)三隆安裝檢修公司，河南洛陽(yáng)471012）

在石油、化工、冶金、電力等重要工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，熱電偶是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元器件之一。目前，國(guó)內(nèi)外知名廠家主要采用法蘭與保護(hù)套管分體式生產(chǎn)，通過(guò)焊接方式將法蘭和保護(hù)套管連接，并采用通孔封底鉆孔的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)套管深度盲孔的同心度。由于焊接時(shí)焊縫組織和熱影響區(qū)域中的晶粒比較粗大且不均勻，焊縫中含有較多的硅、錳等元素，硬度較高，在焊接殘余應(yīng)力和焊接過(guò)程帶入的氫誘發(fā)裂紋的共同作用下，焊縫區(qū)域成為發(fā)生腐蝕最敏感的部位，是造成氫脆開(kāi)裂和斷裂的根源。法蘭與保護(hù)套管焊接區(qū)域的脆性斷裂造成氣體外溢，引起燃燒、爆炸，高溫、高壓環(huán)境下汽輪機(jī)和煙機(jī)風(fēng)葉被打壞的事故時(shí)有發(fā)生。此外，由于熱電偶法蘭無(wú)法拆卸，檢修時(shí)只能整支更換，浪費(fèi)了大量法蘭的耐高溫鎳基材料，增加了生產(chǎn)成本和能耗。因此，傳統(tǒng)熱電偶結(jié)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需要。筆者從熱電偶保護(hù)套管和可拆卸式法蘭的制造材料、加工方法和表面處理等方面，詳細(xì)介紹了一種新穎節(jié)能分體式熱電偶的研制方法和技術(shù)特點(diǎn)。

1 節(jié)能分體式熱電偶的研制

1.1 保護(hù)套管與法蘭材質(zhì)優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)外的熱電偶法蘭與保護(hù)套管材質(zhì)一般都采用奧氏體不銹鋼。為了保證傳統(tǒng)的焊接連接質(zhì)量，要求法蘭與保護(hù)套管采用同一種材質(zhì)。法蘭的材料用量是保護(hù)套管材料用量的2～4倍。由于法蘭和保護(hù)套管已焊接為一體，因此在更換保護(hù)套管時(shí)浪費(fèi)了保護(hù)套管2～4倍用量的法蘭材料。分體式熱電偶取消了傳統(tǒng)的焊接工藝，法蘭和保護(hù)套管成為可拆卸的兩個(gè)部件，因而保護(hù)套管與法蘭可以采用不同材質(zhì)。法蘭材質(zhì)可以選擇奧氏體不銹鋼，也可以選擇低價(jià)位、高強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼，在低溫、低壓、重腐蝕的環(huán)境下甚至可以選擇工程塑料。保護(hù)套管材料可以根據(jù)被測(cè)介質(zhì)狀況選用要求高的特殊材料。常規(guī)的1Cr18Ni9Ti，0Cr17Ni12Mo2Ti等普通不銹鋼材質(zhì)的最高承受溫度為900℃左右，而某些裝置本身的正常工作溫度在750～850℃，已接近1Cr18Ni9Ti，0Cr17Ni12Mo2Ti等不銹鋼材質(zhì)的最高承受溫度，致使熱電偶容易損壞。為了提高保護(hù)管材質(zhì)的耐高溫、耐腐蝕性能，開(kāi)發(fā)了一種抗氫脆、抗硫化腐蝕的加氫裂化專用熱電偶保護(hù)套管部件用材料，它是以鎳、鉻、鉬、鈮、鈷、鋁、硅為主和微量釔等元素構(gòu)成的新型高溫合金材料。該合金以鎳、鉻、鉬、鈮、釔為高溫基礎(chǔ)元素，用鈷元素細(xì)化金屬顆粒，相應(yīng)提高鉬、鋁成分的比例，使合金材料在1 100℃高溫下仍有足夠高的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性能。

1.2 節(jié)能分體式熱電偶整體結(jié)構(gòu)

該分體式熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由接線盒、感溫元件、可調(diào)支撐保護(hù)管、堵漏雙卡套、可拆卸法蘭和鍛壓成型無(wú)焊接保護(hù)套管組成。法蘭中心有保護(hù)套管安裝孔，保護(hù)套管的上部有凸盤(pán)，保護(hù)套管的開(kāi)孔端從法蘭的下端穿過(guò)，安裝孔露出法蘭的上端，凸盤(pán)和法蘭的下端緊密接觸，支承管和保護(hù)套管開(kāi)孔端相互接觸，支承管和保護(hù)套管開(kāi)孔端的連接處有鎖緊螺母，支承管和鎖緊螺母之間有堵漏壓緊螺母，保護(hù)套管的開(kāi)孔端設(shè)有堵漏雙卡套。通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了套管與法蘭的便利拆卸。

圖1 節(jié)能分體式熱電偶整體結(jié)構(gòu)

保護(hù)套管和法蘭凸臺(tái)密封面先形成整體，法蘭連接采用定位錐形加螺紋緊固，通過(guò)堵漏雙卡套解決了法蘭和保護(hù)套管連接的密封性問(wèn)題。熱電偶的法蘭和保護(hù)套管間的這種連接結(jié)構(gòu)解決了因焊接工藝造成的熱電偶損壞問(wèn)題。此外，該結(jié)構(gòu)還解決了熱電偶中感溫元件上下位置調(diào)節(jié)的困難，以及感溫元件難以精確緊貼保護(hù)套管盲孔底端而造成的熱傳遞滯后現(xiàn)象，同時(shí)還提高了抗振性能。

1.3 整體成型和加工技術(shù)

該分體式熱電偶是將法蘭凸臺(tái)密封面與保護(hù)套管采用精密模具鍛壓成整體，并按高壓容器Ⅲ級(jí)鍛壓規(guī)范要求進(jìn)行時(shí)效固熔處理制得的。由于鍛壓工藝優(yōu)化了材料的晶粒密度，既提高了保護(hù)套管的剛度和強(qiáng)度，又提高了材料的耐高溫和耐腐蝕性能。

保護(hù)套管整體成型的技術(shù)難點(diǎn)是深盲鉆孔問(wèn)題。用普通機(jī)床在一根長(zhǎng)度700mm，直徑35mm，前端帶有法蘭凸臺(tái)的實(shí)心鋼棒中心處鉆一個(gè)φ7.5mm的盲孔，且尾部同心度偏差不大于±0.20mm時(shí)，存在以下難題：加工過(guò)程中無(wú)法觀察刀具的磨損和工作狀況；切削熱不易散失；加工時(shí)產(chǎn)生的鉆屑難以排放，如遇阻塞容易造成刀具急劇磨損甚至報(bào)廢；刀具長(zhǎng)度有限，被加工工件的尺寸受限制；加工同心度難以保證。為了解決上述難題，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次反復(fù)試驗(yàn)，研制成功了專用的“工件倒置升降裝置”，通過(guò)采用正反雙向旋轉(zhuǎn)加工，鉆桿定位護(hù)套和空心鉆桿注液等技術(shù)，成功解決了深盲鉆孔問(wèn)題，加工的帶法蘭凸臺(tái)熱電偶保護(hù)套管完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

1.4 采用復(fù)合陶瓷改性處理工藝

為了延長(zhǎng)熱電偶的使用壽命，在其保護(hù)套管與介質(zhì)接觸的部分表面還涂覆一層耐腐蝕、耐磨損保護(hù)層。保護(hù)層采用該公司自主開(kāi)發(fā)的金屬表面復(fù)合陶瓷改性處理工藝。先將鋁熔液熱涂于法蘭凸臺(tái)密封面和保護(hù)套管表面作為過(guò)渡涂層，再將接近納米級(jí)的三氧化二鋁粉末均勻地噴涂于過(guò)渡涂層表面，接著采用CO2激光掃描燒結(jié)，使涂層之間以及涂層與母體之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，達(dá)到納米陶瓷的效果，形成耐高溫、抗氫脆、耐腐蝕保護(hù)層。

常規(guī)法蘭與保護(hù)套管焊接式熱電偶的缺點(diǎn)：如果先將保護(hù)套管進(jìn)行表面處理后再與法蘭焊接，則焊接工藝會(huì)將表面涂層破壞；如果先將法蘭與保護(hù)套管焊接后再做表面處理，則由于法蘭面積太大，凸臺(tái)面處理極不方便，特別是高溫鋁液涂覆工藝，既耗時(shí)又耗材。而新型分體式熱電偶可以針對(duì)被測(cè)量介質(zhì)的要求，選擇不同成分的保護(hù)層，通過(guò)金屬表面復(fù)合陶瓷改性處理技術(shù)，滿足不同情況時(shí)的實(shí)際生產(chǎn)要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

該節(jié)能分體式熱電偶采用精密模具整體鍛壓成型和深盲鉆孔技術(shù)，解決了熱電偶連接法蘭和外保護(hù)套管結(jié)合部在高溫、高壓環(huán)境下易氫脆開(kāi)裂和腐蝕等問(wèn)題，極大提高了熱電偶使用的安全性能。通過(guò)采用新型不銹鋼合金材料和表面復(fù)合陶瓷改性處理工藝，延長(zhǎng)了熱電偶在高溫、高壓和臨氫環(huán)境下的使用壽命。同時(shí)，用法蘭和保護(hù)套管分體無(wú)焊接連接方法替代傳統(tǒng)的焊接形式，使法蘭能重復(fù)使用，僅單支熱電偶就可節(jié)約材料4～10kg。另外，這種與被測(cè)介質(zhì)面，特別是臨氫界面不焊接的熱電偶比采用傳統(tǒng)焊接形式的熱電偶的使用壽命有了明顯提高，是一種真正意義上的節(jié)能熱電偶。該熱電偶普遍適用于高、中、低溫度和壓力下的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，滿足了裝置安全、環(huán)保、節(jié)能、生產(chǎn)安全的要求。

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