某石化公司丙烯腈裝置采用丙烯、氨氧化方法生產聚合級丙烯腈。裝置反應所產生的高濃度有機廢水、廢液，以及在事箂hou刺�咸旡生的氢氰酸、硫铵及易g嫻扔瀉ξ鎦仕橢練偕章�进行高温燃烧，使訛aξ鎦試詬呶?900 ～ 1 000℃)下燃燒分解為無害煙氣，減少環境污染。焚燒爐爐膛內溫度通過 4 支熱電偶進行實時監測，并將信號引入 DCS 控制系統，便于操作人員監控。溫度的實時監測能夠使操作人員更好地判斷焚燒爐內有害物質的燃燒情況，為煙氣達標排放提供保障。自焚燒爐投用至今，高溫熱電偶故障頻繁。為解決此問題，相關技術人員通過不斷分析和摸索，對熱電偶進行改進。通過實際生產驗證，改進后的熱電偶運行效果良好，明顯延長熱電偶的使用壽命。

 

1 熱電偶基本情況

熱電偶有很多種類，本裝置焚燒爐采用其中比較貴重的鉑銠熱電偶輔以剛玉保護套管來實現高溫測量。鉑銠熱電偶是目前#常用的高溫測溫元件，具有結構簡單、使用方便、測量精度高及范圍廣等優點。單鉑銠熱電偶可長期測量 1 300℃、短期測量 1 600℃ 的高溫，但是不宜和熱氧多接觸，否則易使鉑銠絲很快受到侵害，因此必須加裝保護套管，保護鉑銠絲免遭化學和機械作用，避免介質中各種有害物質直接侵入熱電偶絲和受到火焰的直接沖擊，延長熱電偶使用壽命，確保其測量的準確性

［1］ 。本焚燒爐熱電偶共 4 支，技術參數如下:

型號 WＲP-440S

分度號 S 型

規格 單支，鉑銠 10 － 鉑

電氣接口 M20 ×1． 5

防護等級 IP65

防爆等級 Ex d ⅡCT4

套管材料 剛玉

套管外徑 21． 8mm

套管插入深度 670mm

法蘭等級 DN50mm，PN0． 6MPa，ＲF

法蘭材料 304 不銹鋼

介質名稱 煙道氣

介質溫度 900 ～1 000℃

介質壓力 微負壓

 

4 支熱電偶分布在爐膛底部(TI-3115)、爐膛頂部(TI-3114B、TI-3122)、煙道(TI-3114A)，安裝位置和尺寸如圖 1 所示。其中，熱電偶 TI-3115安裝處向火面到法蘭面距離為 454mm，探出長度為 216mm，焚燒爐運行時熱偶指示溫度約為990℃;熱電偶 TI-3114B 和 TI-3122 安裝處向火面到法蘭面距離為 359mm，探出長度為 311mm，焚燒爐運行時熱偶指示溫度約為 920℃;熱電偶 TI-3114A 安裝處向火面到法蘭面距離為 257mm，探出長度為 413mm，焚燒爐運行時熱偶指示溫度約為 896℃。

2 熱電偶故障情況

筆者查閱了 2016 年焚燒爐熱電偶故障記錄，熱電偶共出現 9 次故障(表 1)，故障現象為維護人員對故障熱電偶檢查測試，均無電壓毫伏信號，判斷為熱電偶本體熱偶絲斷。

從表 2 可以看出，該焚燒爐熱電偶故障頻繁，且缺乏規律性，#短使用周期僅 31 天，頻繁的故障不僅增加工人的勞動強度，還產生了昂貴的費用，而且對焚燒爐的安全運行構成威脅，此問題亟待解決。

通過對故障熱電偶進行拆檢發現，套管均發生橫向折斷，斷口發生在套管探入爐膛內部部分，未發現高溫熔斷現象。斷定故障均是發生套管斷裂，由于套管未起到保護作用，造成熱偶絲斷，無法進行測量。

 

3 故障原因分析

3．1 剛玉套管的特性

剛玉的硬度僅次于金剛石，產品密度大，耐磨性能 好，熔 點 也 非 常 高。據 資 料 顯 示，剛 玉( Al 2 O 3 97% 以 上) 的 機 械 強 度 為: 抗 壓 強 度15 000 ～ 16 000kg/cm 2 ，抗 拉 強 度 1 200 ～1 400kg/cm 2 ，抗彎強度2 100 ～2 300kg/cm 2 ，使用溫度可達 2 000℃。從數據來看，剛玉的抗壓強度比抗拉強度大十倍左右，經應力和強度計算，套管承受的內壓比外壓小得多，抗沖擊強度比一般鋼材小得多，容易脆裂折斷，雖#高可在2 000℃ 下使用，但其機械強度在高溫下會減弱。因此，剛玉管抗熱振性和抗折抗彎能力稍差，不能承受碰撞，易脆斷。

 

3．2 高溫影響

本爐采用的 S型熱電偶正極為鉑銠 10，化學成分為鉑銠合金，其中含銠 10%，含鉑 90%，負極為純鉑。根據前文所述，剛玉套管和鉑銠熱電偶完全能夠滿足溫度工況的要求。同時結合熱偶拆檢實際，排除高溫造成的熱電偶和套管損壞。

 

3．3 熱沖擊影響

熱沖擊是指材料經歷驟冷驟熱會導致的材料的機械破壞。剛玉的傳熱系數低，局部受熱會引起較大的應力，加之材料的脆性，很容易造成開裂。材料抗熱沖擊指數(TSI)的計算公式為:

式中 E ———彈性模量;

k ———導熱系數;

α ———線性膨脹系數;

σ ———拉伸強度。

 

從式(1)可以看出，對抗熱沖擊性能而言，k越大越好，而 α 越小越好，除此之外，還要考慮斷裂韌性對材料的影響。

 

表 2 列出了 Al 2 O 3 和石墨的抗熱沖擊性能。可以看出，以 Al 2 O 3 為主要成分的剛玉的抗熱沖擊(耐熱震性能)較差［2］ 。因此，一般要求升降溫速率小于 5℃ /min，而生產車間針對焚燒爐升溫嚴格按照制定的升溫曲線操作(圖 2)，升溫共 4個階 段，升 溫 速 率 分 別 是 0． 14、0． 17、0． 33、0． 29℃ /min，4 個階段的溫升速率均能夠滿足剛玉套管的工作要求，不會造成剛玉套管的斷裂。

另外，剛玉套管在線安裝時，是從環境溫度升高至介質溫度，剛玉套管必須在不少于 10min 的時間段內緩慢地插入熱電偶安裝孔，以避免剛玉套管因溫升速率過快造成斷裂。儀表維修人員在更換熱電偶時均是嚴格執行相關規定。所以，從以上兩方面避免了溫度驟變造成套管斷裂的可能。

 

3．4 外應力影響

剛玉 套 管 探 入 爐 膛 的 長 度: TI-3115 為216mm、TI-3114B 和 TI-3122 為 311mm、TI-3114A為 413mm。為保證焚燒爐的正常操作，燃料氣和助燃氣是需要不斷補充的，進而在爐膛內產生一定的氣流，4 支熱電偶的剛玉套管探入爐膛內的長度在 216 ～413mm，在高溫下受到氣流的沖擊，套管易發生振動，承受的外應力較大，易發生套管斷裂。另外，焚燒爐爐磚少量脫落沖擊套管也會造成斷裂。從以上兩方面的分析可以看出套管的斷裂原因是探入爐膛的長度過長，受氣流的沖擊和爐磚少量脫落沖擊造成的。

 

3．5 剛玉套管質量

剛玉套管的耐溫度與其純度有關系，純度越高，耐溫就越高，但是其耐急冷急熱的性能就越差。所以，剛玉套管純度也影響套管的使用壽命。此外，孔隙率、顆粒尺寸也影響其抗熱沖擊性，孔隙是造成應力集中的隱患，對抗熱沖擊性能影響較大。在選用剛玉管時應挑選燒成溫度高和致密性好的產品。#簡易的鑒別方法是將一滴墨水滴在剛玉管表面，如墨水不滲開，而且墨水滴邊緣界線清晰，用清水沖洗后未留有明顯痕跡，則表明其燒成良好、吸水率低且致密度高，適合使用，反之不宜選用。

 

3．6 熱電偶套管的溫降

焚燒爐內部有用耐火磚砌筑的隔熱墻，熱偶套管穿過隔熱墻上的固定安裝孔。如果從內表面到外表面溫降均勻，且溫降平均約 10℃ /cm，剛玉套管可以承受這樣的溫降。而出了爐墻上的熱電偶孔后，套管溫度突然降低，在外表面以外的20cm 長的距離中，套管溫降巨大。如此巨大的溫差會使套管產生應力而出現裂紋，造成套管斷裂損壞［3］ 。隔熱墻的熱偶安裝孔應留有足夠的膨脹空間，來避免剛玉套管受熱膨脹過程中被擠壓產生破裂。從套管斷裂部位來看，排除從內表面到外表面套管溫度驟變以及耐火磚擠壓造成的損壞。

 

4 改進措施

上述的原因分析，盡可能全面地考慮了可能造成熱電偶套管損壞的因素。針對原因分析，對應采取措施避免套管和熱電偶的損壞或降低其損壞幾率:

 

a． 焚燒爐內的氣流和爐磚狀態不會隨意改變，從避免受到沖擊的角度考慮，探入爐內的長度越小越好，但應保證不影響溫度的測量。因此，熱電偶探入焚燒爐內的長度，對每支熱電偶應單好定制插深。經過反復測試，#終確定熱電偶探入焚燒爐爐膛內長度為 25mm 左右，此長度既能滿足溫度監控要求，又#大限度地降低了熱電偶受沖擊的可能。熱電偶套管插入深度修改后，TI-3115 為 479mm、TI-3114B 和 TI-3122 為 384mm、TI-3114A 為 282mm。

 

b． 強化儀表維修人員的技能和責任心，杜絕碰撞，正確安裝。爐內高溫插入熱電偶時，一定要讓保護管有足夠的預熱時間，可先將熱電偶導線接好，參考 DCS 顯示，小幅度、多次逐步升溫，每次熱電偶溫度不繼續上升再繼續移位，尤其是北方低溫天氣和100℃以下時要格外注意;從爐子抽出熱電偶的過程中一定要緩慢，參考安裝過程實施。禁止將抽出后的剛玉套管直接放到地面上。

 

c． 嚴控剛玉套管質量，訂貨時要求廠家要嚴格按照標準剛玉套管進行供貨，保證其純度，進而保證剛玉套管的使用壽命，入廠前驗證其吸水性和致密度。

 

d． 要求生產車間嚴格按照既定溫度升降曲線進行操作，避免溫度劇變造成剛玉套管斷裂。定期更新老化的耐火磚，對耐火磚的熱電偶安裝孔進行嚴格的尺寸驗收，保證安裝孔的尺寸。

 

e． 建立熱電偶運行臺賬，熱電偶的維護和檢修專人負責，總結損壞現象，摸清運行規律，確定套管使用周期，及時更換套管以保護熱電偶，達到降低費用的目的。

 

實施上述措施后，熱電偶于 2017 年 1 月進行安裝，截至目前，僅更換了 TI-3114A 一支熱電偶，效果顯著。

 

5 結束語

通過對焚燒爐熱電偶套管斷裂故障分析，找出了造成熱電偶剛玉套管斷裂的原因并采取了有效措施。經過一年多時間的運行考驗，熱電偶使用壽命得到了提高，降低了熱電偶維護費用，同時為焚燒爐可靠運行提供了有力保障。今后的工作中，仍要繼續對熱電偶的運行情況進行跟蹤總結，積極采用新材料或新型金屬 － 非金屬復合套管來解決單一剛玉套管耐熱沖擊性能差的問題。

 

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