高溫加熱爐柔性熱電偶穩定性分析

摘要:柔性熱電偶測溫是加熱爐等高溫設備運行工況的主要監控方式,完好性和正確性是熱電偶的重要性能指標,關系到設備的安全穩定運行。該文分析了引起加熱爐測溫的柔性熱電偶故障原因,提出了升級材質、增加保護套管及改進安裝方式的預防措施,并對改進后效果進行跟蹤分析和驗證。結果表明,該改進措施有效，可為同類工況熱電偶安裝提供參考與借鑒。
0引言
　　溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部件,能感受物體溫度變化并轉化為4~20mA模擬電信號輸出的電子元件,根據測量方式可分為接觸式和非接觸式。按照傳感器材質和電子元件特性分為熱電阻和熱電偶2大類。熱電阻一般用于測量低溫物體,而熱電偶一般測量高溫高壓物體,熱電偶時間常數是衡量熱電偶動態性能優劣的重要指標,其值越小，越能及時反映周圍環境溫度的變化。筆者單位甲醇制丙烯裝置°2(簡稱MTP裝置)原料氣加熱爐FH-260124用于給MTP反應器提供溫度為460℃、壓力為0.89MPa的熱物料,確保單級絕熱固定床反應器恒溫恒壓反應,提高丙烯收率。為此,加熱爐對流段和輻射段溫度是非常關鍵的參數。溫度測量關乎加熱爐和反應器安全穩定運行,否則高溫可能會引發設備損壞造成不必要的事故。
1原料氣加熱爐工藝流程
　　原料氣加熱爐的加熱升溫設備,其負荷大小通過調節天然氣進氣量和主燒嘴開度及數量,將加熱爐出口溫度控制在440~460℃,保證MTP反應器--級床層人口溫度在460℃左右,MTP反應器各床層溫度穩定使得催化劑活性達到最佳,活性較高時,人口溫度可適當調低,活性較低時，溫度則應相應提高。由圖1原料氣加熱爐工藝流程可知,來自界區外的甲醇緩存在離子交換器,在氧化鋁基催化劑作用下在二甲醚反應器(簡稱DME反應器)中生成二甲醚。DME反應器出口產物分為3路,第1路熱DME經原料氣加熱爐對流段過熱的工藝蒸汽混合,混合物料加熱至460℃后從頂部進人MTP反應器(R-260151AB/C)第1床層。第2路熱DME氣體從側線進人MTP反應器的第2~第6床層。第3路熱DME物料首先通過DME反應器流出物冷卻器經循環烴冷卻至260C,然后進一步在工藝水預熱器中經工藝水冷卻至180℃,最后進人DME分離罐(D-260112)后分離出氣液兩相物進人反應器側線。由工藝流程可知,原料氣加熱爐FH-260124是MTP反應器物料反應調溫的核心設備,具有十分重要的作用
 
2柔性熱電偶故障現象及原因分析
2.1柔性熱電偶故障現象
　　原料氣加熱爐對流段和輻射段共計安裝柔性熱電偶37支,自2014年9月裝置開車以來多次出現測量值超量程現象(量程為0~800℃),通過更換不同制造商提供的熱電偶,并未有效解決其頻繁故障問題,圖2為2021年11月加熱爐停運后對流段和輻射段溫度DCS監控畫面示意圖,由監控畫面可知有18支熱偶測量值高于800℃,表明該熱偶故障,圖3為輻射段溫度測量值歷史趨勢示意圖,正常測溫為530℃左右,由歷史趨勢圖可知溫度測量值波動頻繁,說明該溫度測點存在故障現象。
 
 
2.2柔性熱電偶基本信息
　　查閱原料氣加熱爐柔性熱電偶設計規格書,詳細信息如表1所示，表中2601-TT-6101/6102A-L和2601-TT-6104A-M共計37支熱電偶量程為0~800℃、K型熱電偶、插深6m、材質316L、熱偶直徑為中6mm,故障數量18支，故障率占比48.65%,由此可知，無論熱電偶完好率還是準確率都無法滿足化工裝置設備使用要求，為此,消除該隱患是儀表技術人員要解決的重大技術問題
表1熱偶基本信息表

序號	位號	量程/℃	分度號	插深/mm	材質	直徑/mm	故障數/支
1	2601-TT-6101A-L	0~800	K	6000	316L	Φ6	6
2	2601-TT-6102A-L	0~800	K	6000	316L	Φ6	10
3	2601-TT-6104A-M	0~800	K	6000	316L	Φ6	2

 
2.3柔性熱電偶故障原因分析.
　　原料氣加熱爐內部結構主要由三排管徑為DN100盤管構成,被加熱的介質DME先后經過加熱爐對流段和輻射段盤管最后運輸至MTP反應器。由于盤管受火焰直接加熱,熱電偶無法插人盤管內直接測量其內介質溫度,為此采用柔性熱電偶可彎曲的優點，將熱電偶芯貼在盤管外壁間接測量DME介質溫度,柔性熱電偶安裝方式如圖4所示。用2"150#法蘭將柔性熱電偶接線盒和尾線部分固定在加熱爐爐壁,熱電偶另外一端穿人爐膛后固定于焊接在盤管外壁的集熱塊上,并用304不銹鋼扎帶通過捆扎的方式將熱偶芯固定在盤管上。
 
　　為了分析熱電偶故障原因,利用加熱爐停爐機會,儀表技術人員進入爐膛內查看熱偶完好性,發現熱偶芯存在兩處斷裂現象,一是熱偶芯在穿過加熱爐內壁處斷裂,二是集熱塊固定處斷裂,如圖4中紅色叉處為熱偶芯斷裂處。除了斷裂問題外,還有一個問題是熱偶芯表面集碳,輕輕拽拉或者擰熱電偶會導致熱偶芯表面開裂無機絕緣填充物物氧化鎂(MgO)、三氧化二鋁(Al2O3)外漏。
　　綜合上述故障現象,經過分析認為,一是熱偶穿過爐內壁至集熱塊固定處間距1.8m,中間沒有保護支撐物,因受熱偶芯自身重力和爐膛火焰噴射沖擊輻射和氣流作用力導致熱偶芯斷裂;二是由于原料氣加熱爐燃燒物為天然氣,其燃燒的主要產物為二氧化碳和水,此外含有少量硫化氫、二氧化硫和一-氧化碳等腐蝕性氣體,由文獻[7]的研究可知,因為爐膛內存在大量C,S和Cl等元素,熱偶芯受這些元素的腐蝕，產生腐蝕疲勞,促進熱電偶開裂,因此熱偶芯材質316L不能滿足爐膛使用條件。
3柔性熱電偶升級改造
　　2019年6月，利用檢修停爐機會對原料氣加熱.爐對流段和輻射段37支柔性熱電偶更換為天津某制造商加工制造的備件。由于原料氣加熱爐運行周期比較長,截止2021年11月先后共計18支熱電偶存在故障現象,溫度測量值超量程。針對上述熱偶缺陷,利用2021年11月停爐機會對熱偶進行了如下改進:
(1)聯合江蘇某儀表制造商對熱偶芯材質進行.了升級,新制造熱偶芯材質為GH3039合金。并用便攜式光譜分析儀定性分析熱偶芯元素組成如表2所示，熱偶材料化學成分符合GB/T14992-2005執行規范對GH3039的要求
 
(2)熱電偶安裝前采用著色探傷的無損檢測方法對熱偶芯及其與法蘭連接處進行檢查,確認焊接口及熱偶芯表面無開口、裂紋等缺陷。
(3)熱電勢測試法。熱電偶安裝前采用不同溫度的水,用萬用表mV檔分別在20℃,50℃和100℃三個點測量被測熱偶芯的熱電勢,并和標準熱電偶熱電勢比較,記錄它們的差值,允差等級滿足工況要求。
(4)改進熱電偶的安裝方式。由于受腐蝕和熱偶芯自身重力等因素影響,采用符合ASTMG93A級和CGA4.1標準的管徑為φ12mm套管作為熱偶芯保護套管,并將原來的集熱塊改進為圓弧半徑可調式對稱固定卡具，實現熱偶芯受火部位全方位保護,如圖5所示。
 
4改造后實施效果
　　利用2021年11月MTP裝置檢修機會,對原料氣加熱爐對流段和輻射段共計37支柔性熱電偶全部進行材質升級和安裝方式改進,更換完成上述改造后的柔性熱偶芯。熱電偶安裝過程較原來最大區別是新增不銹鋼套管作為熱偶芯保護套管，并對盤管處熱偶芯的集熱塊進行升級改造,改造為圓弧半徑可調式對稱卡具,其主要作用對貼在盤管表面的熱偶芯進行固定保護,增大熱偶芯保護部位防止由于受自身重力斷裂。改造后由于保護套管和可調式固定卡具對熱偶芯的全部防護,熱偶芯安裝穩固、抗腐蝕能力強,預防火焰噴射抗沖擊力增強。自改造實施以來,原料氣加熱爐運行至今柔性熱電偶運行良好,測量值正確穩定無波的,未出現開路超量程等故障現象,圖6所示為熱偶改造后的溫度監控畫面,消除了原料氣加熱爐因熱偶芯故障失去監控可能超溫的安全隱患,為MTP裝置安全穩定運行奠定了基礎。
 
5結語
　　原料氣加熱爐本體溫度是監測加熱爐燃燒過程.的關鍵參數,針對柔性熱電偶頻繁故障問題進行了分析,提出了升級熱電偶材料.增加保護套管及改進安裝方式的優化方案,解決了熱偶芯因受自身重力和爐膛火焰噴射沖擊力的影響導致斷裂的問題,同時,提升了熱電偶抗腐蝕能力,從而達到保護熱電偶的目的。工業應用表明方案可行,可為同行業、同工況高溫設備溫度監測提供借鑒和指導。