高溫熱電偶故障原因及處理

朱信華，劉全榮，井繼琛

（兗礦國宏化工有限責任公司，山東鄒城273512）

煤氣化作為潔凈煤技術的重要組成部分，具有龍頭地位。它將廉價的煤炭轉化成為清潔煤氣，既可用于生產化工產品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，也可用于煤的直接與間接液化、聯合循環發電（IGCC）和以煤氣化為基礎的多聯產等領域。氣化爐是煤氣化的關鍵設備，準確測量和控制氣化爐的溫度，對確保產品品質及氣化爐安全、穩定、高效和長周期運行尤為重要。氣化爐測溫熱電偶在高溫、腐蝕、氧化、還原、急冷急熱、氧化－還原交變及某些強腐蝕性介質環境中使用時，其故障率相對較高，使用壽命相對較短。

1 故障原因分析

a）保護管材料。國內目前制造氣化爐熱電偶使用的高溫陶瓷保護管中含有SiO2，Fe，Na，K等有害物質。按國內的JC／T509—1994熱電偶用熱保護管標準，氣密性標準在1.30kPa負壓下，10min內壓降小于0.3kPa即為合格。在1 300～1 450℃的高溫，6.5～8.7MPa的高壓下，該保護管中所含的SiO2在有還原性氣體H2和CO存在時，可還原出Si。Si附著在“B型熱電偶”含鉑的偶絲上后，可形成多種鉑的低熔點金屬間化合物，其中有一種是Pt5Si2，其熔點僅為830℃。這種化合物一旦形成，就會使“B型熱電偶絲”造成“氫脆”、“碳中毒”，而且會使熱電偶出現大幅度的漂移誤差，使之失去工藝操作的參考價值。

b）金屬過渡與陶瓷管的結合。氣化爐熱電偶的前部為高溫陶瓷保護管（熱膨脹系數約為7.3× 10－6），為了使之能安裝在耐高壓金屬制成的氣化爐爐體上，其后部必須有一個能和爐體法蘭密封結合在一起、由金屬制成的熱電偶法蘭（熱膨脹系數約為1.32×10－7）。將高溫陶瓷保護管和由金屬制成的熱電偶過渡保護管密封在一起，可防止合成氣中的H2和CO進入，這也是制造高溫高壓熱電偶的關鍵技術問題。

c）耐火層的剪切。熱電偶從氣化爐外壁，經殼體、隔熱層、三層耐火磚插入燃燒室，由于各耐火材料的熱膨脹系數不同，熱電偶經常因各耐火層熱膨脹量不同出現的“剪切力”而損壞。這種因爐體結構使熱電偶損壞的現象，己引起很多設計單位的重視。將熱電偶安裝孔設計成上下方向的橢圓形，熱電偶探頭部分與安裝孔壁之間留有5～8mm的間隙，可以減少“剪切力”的破壞。

d）爐渣影響。當水煤漿氣化爐正常運行時，熱電偶保護管已粘滿爐渣。爐渣一方面使保護管的強度降低，另一方面這些呈熔融狀態的“附著物”布滿保護管的表面，當出現氣化爐非正常開、停車時，由于“附著物”的熱膨脹系數與保護管不同，會使熱電偶保護管破碎而造成熱電偶損壞。

e）工藝操作。運行過程中非正常停車的次數及降溫操作不規范。

f）熱電偶的裝配安裝。組裝時未嚴格執行規程；密封件壓接用力過大造成密封件損壞失效，合成氣泄漏噴出；移動或存放不當使熱電偶損壞；熱電偶孔疏通不好，在安裝時與安裝孔中的凸起部分因擠壓使陶瓷保護管破碎。

2 熱電偶安裝孔疏通

氣化爐測溫熱電偶運行環境工況復雜，使用壽命較短。在高溫下，部分保護管外表已與爐渣等物質發生共晶反應，生成多種低共熔物質，其硬度較大，熱電偶安裝孔經常被爐渣堵死。為疏通熱電偶安裝孔，少數工廠投資十多萬元人民幣購買熱電偶孔疏通機，但使用效果不好，大多工廠還是動用鋼釬，一旦鋼釬打通，可以使用DN40mm鍍鋅管（各廠可根據實際情況使用）錘擊轉動疏通，直至孔徑滿足安裝要求。疏通難度極大，某廠曾經出現疏通一個熱電偶孔耗時7h的記錄。

采用具有沖擊力的工具應該可以提高熱電偶孔的疏通效率，前提是要保證氣化爐內具有一定的溫度（一般不低于800℃），疏通時不對爐內耐火磚造成傷害。經過對比，認為某公司生產的風鎬MO－4B體積小，質量輕，工廠儀表空氣壓力（0.45MPa）滿足要求，沖擊力可以人工掌握，比較適合該廠要求，工作氣源具體參數見表1所列。

表1 風鎬MO－4B技術參數

采用風鎬后，一般10min內將熱電偶疏通，大大縮短了疏通時間，減少了氣化爐投料前期的準備時間，減輕了勞動強度，提高了工作效率。

3 熱電偶的防泄漏改造

3.1 熱電偶的密封

氣化爐熱電偶保護管在6.5～8.7MPa，1 300～1 450℃的高溫、高壓下，不僅要考慮材質問題，同時也應考慮密封防泄漏問題。除原始安裝外，使用單位在購買熱電偶備件時，一般不再購買與工藝連接的法蘭、密封接頭、接線盒，熱偶等廠家必須提供的瓷環、密封件，而是由使用者自行裝配。熱電偶引出線較細，一般為0.75mm，既要考慮與熱偶絲的絕緣，還要考慮密封對引線的損傷，一般采用柔性密封件。許多工廠都曾發生過氣化爐投料后升壓過程中，熱電偶因密封問題出現的泄漏現象，并且泄漏量逐漸增大，帶壓堵漏無法進行，被迫停車。該現象不僅影響到產量，還威脅到系統運行安全。

筆者對某一氣化爐高溫熱電偶生產廠家的熱電偶密封進行測繪分析，熱電偶信號引出端在密封接頭內完成密封，如圖1所示。密封接頭左端與工藝連接法蘭螺紋連接（外螺紋G15mm），右端（外螺紋M20mm×1.5mm）與密封壓緊接頭連接，如圖2所示。密封接頭左端與熱電偶法蘭連接，右側與壓緊接頭連接，密封接頭腔內分四段開孔，分別為φ4mm熱偶絲引線孔，φ5.5mm瓷環孔，φ5.5～10mm過渡孔，φ10mm瓷環及壓緊管段孔。

密封接頭過渡孔內安裝密封填料，如圖3所示。密封填料中間并列兩個φ1mm穿線管，穿線孔間距為φ1mm。在密封接頭內腔從左至右先后安裝瓷環1只、密封填料、壓緊管（內徑5.5mm，外徑略小于10mm）。壓緊管內放2只瓷環，瓷環直徑5mm，長度10mm，安裝時壓緊管伸出接頭內腔約2mm（若不能滿足，需重新加工），然后根據使用經驗旋緊壓緊接頭，密封壓緊接頭內外螺紋均為M20mm×1.5mm，接頭另一端安裝儀表接線盒。

圖1 熱電偶密封接頭

圖2 密封壓緊接頭

圖3 密封填料

3.2 泄漏原因分析

從密封結構分析，造成泄漏的原因：a）瓷環、密封填料質量較差，在旋緊時壓碎，造成高壓合成氣吹出；b）壓緊管多次使用造成變形，長度減少，壓緊接頭旋到根部不能起到壓緊作用，致使填料周邊有空隙。一旦出現泄漏，會逐步將填料、瓷環吹凈，造成合成氣從φ4mm孔徑內噴出。該氣體溫度較高且為有毒、有害氣體，無法堵漏，氣化爐被迫停運。

3.3 防泄漏措施

筆者認為，防止熱電偶泄漏，若改變密封方式有一定難度，重點應放在泄漏時堵塞的研究上。首先考慮使用球閥，泄漏時可以關斷，球旋轉時可以切斷熱偶絲，但ANSI900LB球閥必須使用硬密封，體積較大，無形中也增加了熱電偶絲的長度，造價較高，球閥本身靜密封點較多，在高溫關斷后也會形成新的泄漏點。受到化工管路上的盲板、絲堵的啟發，對密封壓緊接頭進行重新加工，中間增加40mm×40mm×40mm方形延長段，如圖4所示。在方形體中心鉆孔攻絲，內螺紋為M12mm× 1.5mm，原壓緊接頭兩端內外螺紋不變。在正常運行時，防泄漏螺栓頂端旋至接近穿線孔位置，一旦發生泄漏，向內旋入，切斷熱偶絲，截斷氣體通路，控制泄漏量，避免停車事故。

圖4 防泄漏接頭

4 結束語

目前水煤漿氣化爐熱電偶的研制生產是一項世界性的技術難題，國內許多科研機構也在研發。希望在不久的將來，有更好的特殊材料應用于保護管制造，提高熱電偶的整體性能，延長使用時間，同時減輕勞動強度，節約企業費用。

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