某石化公司丙烯腈裝置采用丙烯、氨氧化方法生產(chǎn)聚合級丙烯腈。裝置反應所產(chǎn)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(wú)害煙氣，減少環(huán)境污染。焚燒爐爐膛內溫度通過(guò) 4 支熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監測能夠使操作人員更好地判斷焚燒爐內有害物質(zhì)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(wèn)題，相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)不斷分析和摸索，對熱電偶進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗證，改進(jìn)后的熱電偶運行效果良好，明顯延長(cháng)熱電偶的使用壽命。

 

1 熱電偶基本情況

熱電偶有很多種類(lèi)，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(lái)實(shí)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(jiǎn)單、使用方便、測量精度高及范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。單鉑銠熱電偶可長(cháng)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(xué)和機械作用，避免介質(zhì)中各種有害物質(zhì)直接侵入熱電偶絲和受到火焰的直接沖擊，延長(cháng)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(shù)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(zhì)名稱(chēng) 煙道氣

介質(zhì)溫度 900 ～1 000℃

介質(zhì)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(cháng)度為 216mm，焚燒爐運行時(shí)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(cháng)度為 311mm，焚燒爐運行時(shí)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(cháng)度為 413mm，焚燒爐運行時(shí)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(wú)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(dòng)強度，還產(chǎn)生了昂貴的費用，而且對焚燒爐的安全運行構成威脅，此問(wèn)題亟待解決。

通過(guò)對故障熱電偶進(jìn)行拆檢發(fā)現，套管均發(fā)生橫向折斷，斷口發(fā)生在套管探入爐膛內部部分，未發(fā)現高溫熔斷現象。斷定故障均是發(fā)生套管斷裂，由于套管未起到保護作用，造成熱偶絲斷，無(wú)法進(jìn)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(chǎn)品密度大，耐磨性能 好，熔 點(diǎn) 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(lái)看，剛玉的抗壓強度比抗拉強度大十倍左右，經(jīng)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(huì )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(xué)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(mǎn)足溫度工況的要求。同時(shí)結合熱偶拆檢實(shí)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(jīng)歷驟冷驟熱會(huì )導致的材料的機械破壞。剛玉的傳熱系數低，局部受熱會(huì )引起較大的應力，加之材料的脆性，很容易造成開(kāi)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(xiàn)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�？梢钥闯�，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(chǎn)車(chē)間針對焚燒爐升溫嚴格按照制定的升溫曲線(xiàn)操作(圖 2)，升溫共 4個(gè)階 段，升 溫 速 率 分 別 是 0． 14、0． 17、0． 33、0． 29℃ /min，4 個(gè)階段的溫升速率均能夠滿(mǎn)足剛玉套管的工作要求，不會(huì )造成剛玉套管的斷裂。

另外，剛玉套管在線(xiàn)安裝時(shí)，是從環(huán)境溫度升高至介質(zhì)溫度，剛玉套管必須在不少于 10min 的時(shí)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(guò)快造成斷裂。儀表維修人員在更換熱電偶時(shí)均是嚴格執行相關(guān)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(cháng) 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(jìn)而在爐膛內產(chǎn)生一定的氣流，4 支熱電偶的剛玉套管探入爐膛內的長(cháng)度在 216 ～413mm，在高溫下受到氣流的沖擊，套管易發(fā)生振動(dòng)，承受的外應力較大，易發(fā)生套管斷裂。另外，焚燒爐爐磚少量脫落沖擊套管也會(huì )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(cháng)度過(guò)長(cháng)，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(zhì)量

剛玉套管的耐溫度與其純度有關(guān)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(shí)應挑選燒成溫度高和致密性好的產(chǎn)品。#簡(jiǎn)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(kāi)，而且墨水滴邊緣界線(xiàn)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(guò)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(cháng)的距離中，套管溫降巨大。如此巨大的溫差會(huì )使套管產(chǎn)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(lái)避免剛玉套管受熱膨脹過(guò)程中被擠壓產(chǎn)生破裂。從套管斷裂部位來(lái)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(jìn)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(tài)不會(huì )隨意改變，從避免受到?jīng)_擊的角度考慮，探入爐內的長(cháng)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(cháng)度，對每支熱電偶應單好定制插深。經(jīng)過(guò)反復測試，#終確定熱電偶探入焚燒爐爐膛內長(cháng)度為 25mm 左右，此長(cháng)度既能滿(mǎn)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(shí)，一定要讓保護管有足夠的預熱時(shí)間，可先將熱電偶導線(xiàn)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(shí)要格外注意;從爐子抽出熱電偶的過(guò)程中一定要緩慢，參考安裝過(guò)程實(shí)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(zhì)量，訂貨時(shí)要求廠(chǎng)家要嚴格按照標準剛玉套管進(jìn)行供貨，保證其純度，進(jìn)而保證剛玉套管的使用壽命，入廠(chǎng)前驗證其吸水性和致密度。

 

d． 要求生產(chǎn)車(chē)間嚴格按照既定溫度升降曲線(xiàn)進(jìn)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(jìn)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(zhuān)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(shí)更換套管以保護熱電偶，達到降低費用的目的。

 

實(shí)施上述措施后，熱電偶于 2017 年 1 月進(jìn)行安裝，截至目前，僅更換了 TI-3114A 一支熱電偶，效果顯著(zhù)。

 

5 結束語(yǔ)

通過(guò)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(jīng)過(guò)一年多時(shí)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(shí)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(jìn)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(lái)解決單一剛玉套管耐熱沖擊性能差的問(wèn)題。

 

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