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煤化工硫回收焚燒爐熱電偶失效分析及延壽改進(jìn)

發(fā)布時(shí)間：2021-06-15 瀏覽次數(shù)：

摘要：煤化工生產(chǎn)過(guò)程中溫度是監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)裝置的重要參數(shù)之一，但由于煤化工苛刻的工況對(duì)儀表設(shè)計(jì)和制造提出了新的更高的要求。硫回收焚燒爐測(cè)溫?zé)犭娕?/strong>存在壽命短，使用效果欠佳等一系列問(wèn)題，困擾儀表管理。本文針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入分析并提出改進(jìn)措施，從而延長(zhǎng)硫回收焚燒爐熱電偶使用的壽命。
0 引言
　　近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，促使煤化工行業(yè)加快了對(duì)廢氣的有效處理。煤化工行業(yè)中的硫回收裝置焚燒爐在應(yīng)對(duì)環(huán)保廢氣處理的應(yīng)用中扮演舉足輕重的作用，對(duì)于焚燒爐工藝操作而言，控制其爐膛溫度對(duì)于其最終產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和品質(zhì)是至關(guān)重要的。熱電偶因其測(cè)溫范圍較寬、靈敏度高、響應(yīng)迅速，廣泛應(yīng)用于焚燒爐等高溫段介質(zhì)溫度的測(cè)量，但焚燒爐內(nèi)工藝操作介質(zhì)溫度較高（均在 950℃～ 1150℃之間），而且介質(zhì)是具有較強(qiáng)腐蝕性的二氧化硫（SO2）和硫化氫（H2S）的酸性混合氣。加之，焚燒爐內(nèi)工藝氣流流速不被控制，致使焚燒爐熱電偶因其保護(hù)套管制造品質(zhì)較差而頻繁損壞。本文主要探討改進(jìn)熱電偶保護(hù)套管的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和熱電偶保護(hù)套管的設(shè)計(jì)布局，從而對(duì)熱電偶的使用壽命的影響做進(jìn)一步的分析。

1 熱電偶的測(cè)溫原理、種類及結(jié)構(gòu)
　　由兩種不同的導(dǎo)體 A、B 組成的閉合回路中（見(jiàn)圖 1），如果使兩個(gè)接點(diǎn) 1、2 處于不同的溫度，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是著名的“塞貝克溫差熱電動(dòng)勢(shì)”，簡(jiǎn)稱“熱電勢(shì)”，記為 EAB 。導(dǎo)體 A、B 稱為熱電偶的熱電極，如果在接點(diǎn) 2 電流是從導(dǎo)體 A 流向?qū)w B，則 A 稱為正極而 B 稱為負(fù)極，接點(diǎn) 1 通常是用焊接法連在一起的，使用時(shí)被置于測(cè)溫場(chǎng)所，故稱為測(cè)量端（或工作端）。接點(diǎn) 2 要求恒定在某一溫度下稱為參考值（或自由端）。總之，熱電偶是一種換能器，它將熱能轉(zhuǎn)變成電能，用所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量溫度。該熱電勢(shì)是由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)所組成。
溫差電勢(shì)（即湯姆遜電勢(shì)），是在一根導(dǎo)體上因兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。
　　即熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與測(cè)量端溫度 t 有關(guān)，一定的熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)一定的溫度。因此，可用測(cè)量熱電勢(shì)的方法達(dá)到測(cè)量溫度的目的，這就是用熱電偶測(cè)量溫度的工作原理。
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。
　　標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，可分為S、B、E、K、R、J 和 T 7 種類型；非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。
　　普通熱電偶的結(jié)構(gòu)一般由電極、保護(hù)管、絕緣填充材料、護(hù)套管和接線盒等構(gòu)成。
2 熱電偶護(hù)套管失效原因分析
　　煤化工硫回收工段焚燒爐通過(guò)燃燒酸性氣（主要是 SO2和 H2S 氣體）和輔助燃料氣（天然氣或解析 H2及CO），最終產(chǎn)生 SO3氣體，SO3氣體經(jīng)催化冷卻后產(chǎn)生工業(yè)級(jí)硫酸，而酸性氣在焚燒爐內(nèi)燃燒時(shí)，爐膛內(nèi)正常溫度在950℃～ 1150℃之間，焚燒爐爐膛內(nèi)的溫度監(jiān)控通過(guò)安裝在爐頭、爐中、爐中（后）和爐尾 4 個(gè)不同部位的熱電偶實(shí)時(shí)檢測(cè)，而安裝這些位置的熱電偶?jí)勖毡檩^短且更換時(shí)存在 H2S 氣體泄漏，對(duì)維護(hù)人員身心健康存在較大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　焚燒爐熱電偶設(shè)計(jì)插深為 1150mm，法蘭式安裝；熱電偶護(hù)套管采用剛玉陶瓷，外徑為 Φ16，護(hù)套管壁厚為２mm，護(hù)套管內(nèi)的熱電偶保護(hù)管為固溶強(qiáng)化型高溫合金GH3030 材質(zhì)。自熱電偶安裝運(yùn)行 3 ～ 4 個(gè)月后，陸續(xù)有熱電偶故障，近 70% 熱電偶護(hù)套管前端或中部斷裂，斷口為折裂形；約為 30% 熱電偶故障，測(cè)量電極電阻無(wú)窮大，拆下發(fā)現(xiàn)護(hù)套管完好，無(wú)任何損壞（見(jiàn)圖３）。將高溫合金保護(hù)管從熱電偶護(hù)套管內(nèi)取出，檢查發(fā)現(xiàn)保護(hù)管表面形成細(xì)小的密密麻麻的凸起，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)保護(hù)管壁有許多麻點(diǎn)狀小孔（見(jiàn)圖４）。
　　熱電偶護(hù)套管對(duì)于溫度儀表制造廠家屬于成品外購(gòu)件，其主要成分為白剛玉、γ- 氧化鋁微粉和硅微粉，并與其他化學(xué)結(jié)合劑采用擠壓成型后高溫烘烤，制備剛玉陶瓷成型護(hù)套管。通常在制作護(hù)套管過(guò)程中，添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)添加劑，從而降低護(hù)套管成品的密度和重量。
　　由于化學(xué)添加劑分散不勻，易造成造孔劑團(tuán)聚或分布不均（見(jiàn)圖 5(a) 和圖 5(b)）[3]，燒后成品套管中存在大量彼此連通的氣孔，在表面附近的氣孔更會(huì)形成較大的氣孔。這些大氣孔不僅影響成品套管的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度，而且還會(huì)成為侵蝕介質(zhì)（SO2、SO3和 H2S 等酸性氣體）進(jìn)入護(hù)套管內(nèi)部的通道，對(duì)熱電偶保護(hù)管形成氣流沖擊和化學(xué)腐蝕，而且進(jìn)入保護(hù)管的酸性氣進(jìn)一步腐蝕熱電偶電極，造成熱電偶電極焊接段或電極其他局部區(qū)域腐蝕而斷路。而護(hù)套管制造過(guò)程中化學(xué)添加劑不發(fā)生團(tuán)聚，加之分布不均，護(hù)套管有些區(qū)域氣孔分布較多而有些區(qū)域氣孔分布較少，影響熱量傳遞不均，從而易發(fā)生熱震，在工藝操作不當(dāng)或工況不穩(wěn)定時(shí)，因熱電偶護(hù)套管局部所受熱輻射不均勻，使熱電偶護(hù)套管容易發(fā)生斷裂。

　　從熱電偶剛玉陶瓷材質(zhì)護(hù)套管的制作加工工藝和實(shí)際使用熱電偶的工況環(huán)境了解得知，造成焚燒爐熱電偶頻繁損壞的主要原因是氣孔率較高的護(hù)套管長(zhǎng)期浸沒(méi)在高溫且含硫的氧化性和還原性氣氛下，易使酸性氣體侵蝕護(hù)套管和保護(hù)管內(nèi)的電極。同時(shí)，較差抗折性的護(hù)套管在高溫環(huán)境中受到介質(zhì)氣流的持續(xù)沖擊，易造成熱電偶護(hù)套管局部折斷等。
3 熱電偶延長(zhǎng)使用壽命的改進(jìn)措施
　　根據(jù)硫回收焚燒爐熱電偶頻繁故障后對(duì)其進(jìn)行失效分析的結(jié)論，對(duì)熱電偶護(hù)套管從材質(zhì)選擇、護(hù)套管制造時(shí)燒結(jié)溫度的控制、套管結(jié)構(gòu)配置和套管尺寸等各個(gè)技術(shù)參數(shù)均作出優(yōu)化改進(jìn)和提升。
為了降低長(zhǎng)期浸沒(méi)在高溫且含硫的氧化性和還原性氣氛下護(hù)套管的氣孔率，避免酸性氣體侵蝕護(hù)套管和保護(hù)管內(nèi)的電極。首先，通過(guò)對(duì)成型護(hù)套管燒結(jié)過(guò)程了解和分析，在燒結(jié)過(guò)程中，隨著溫度的升高陶瓷支撐體的平均孔徑、孔隙率、孔徑分布、抗折強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)等性能指標(biāo)發(fā)生了很大的改變[2]。
　　通過(guò)圖 6 觀察發(fā)現(xiàn)，隨著燒結(jié)溫度的不斷升高，所得樣品的孔隙率不斷降低，抗折強(qiáng)度持續(xù)增大。當(dāng)最高溫度小于 1200℃時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的不斷升高，試樣的孔隙率和抗折強(qiáng)度變化幅度較小；當(dāng)燒結(jié)溫度為 1300℃時(shí)，試樣的孔隙率和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到了 44.84% 和 80.21MPa，在滿足孔隙率要求的同時(shí)，又具備了相當(dāng)大的抗折強(qiáng)度。因此，在燒制護(hù)套管過(guò)程中合理地控制燒結(jié)溫度，會(huì)取得較好的抗折性[4]。

　　其次，要求采用高純度低氣孔率的優(yōu)質(zhì)剛玉陶瓷材料做熱電偶護(hù)套管，并增加陶瓷護(hù)套層數(shù)，套層與套層之間擠壓填充細(xì)小陶瓷絕緣粉末，在高溫時(shí)陶瓷粉末填充剛玉陶瓷護(hù)套管管壁的細(xì)小氣孔中，阻塞酸性氣體進(jìn)一步進(jìn)入護(hù)套管內(nèi)電極保護(hù)管，沖擊腐蝕保護(hù)管內(nèi)的電極。
　　為了有效避免護(hù)套管在高溫環(huán)境中受到持續(xù)介質(zhì)氣流的沖擊，易造成熱電偶護(hù)套管局部折斷，將焚燒爐熱電偶護(hù)套管的外徑由原先 Φ16mm 調(diào)整擴(kuò)大至 Φ20mm，并將護(hù)套管最外壁厚由原先的２mm 增大至６mm。當(dāng)焚燒爐內(nèi)燃燒氣體和酸性氣體充分混合燃燒的氣體流速增大或減少時(shí)，通過(guò)增大熱電偶護(hù)套管直徑和壁厚，提高護(hù)套管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可確保工藝氣流在高溫下沖擊熱電偶護(hù)套管時(shí)，具備優(yōu)異的抗折性能。
　　再次，將護(hù)套管最外層材質(zhì)由原先的優(yōu)質(zhì)剛玉陶瓷材料改為抗折性能優(yōu)異的碳化硅材質(zhì)，碳化硅材料——熔點(diǎn)2227℃、耐高溫、形變小、耐急熱急冷，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與酸性氣體等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳化硅保護(hù)套管的抗折強(qiáng)度約為 61.97Mpa，最外層材質(zhì)優(yōu)化選用 Si C，不但提高了熱電偶護(hù)套管在高溫環(huán)境中持續(xù)受氣流沖擊的抗折性，同時(shí)對(duì)次外層剛玉陶瓷套管化學(xué)添加劑，不發(fā)生團(tuán)聚，且分布不均，易發(fā)生熱震的不足，起到一定的防護(hù)和強(qiáng)化作用[1]。
　　通過(guò)對(duì)頻繁故障的熱電偶深入地分析研究，在確保產(chǎn)品使用性能指標(biāo)滿足現(xiàn)場(chǎng)特殊要求的前提下，按照分步分批穩(wěn)妥推進(jìn)延長(zhǎng)熱電偶使用壽命周期的基本原則，最終與溫度儀表制造商按不同技術(shù)要求，先后共制造出兩批次兩代產(chǎn)品。
　　第一代改進(jìn)產(chǎn)品只是將原先的單護(hù)套管增加為雙層護(hù)套管，最外層護(hù)套管層與內(nèi)層之間不添加任何絕緣粉末材料做填充物，護(hù)套管最外壁厚保持在 4mm 左右，并將按此技術(shù)要求生產(chǎn)的 4 支改進(jìn)后的熱電偶分別安裝在硫回收焚燒爐的爐頭、爐中、爐中（后）和爐尾 4 個(gè)不同部位，投運(yùn)后焚燒爐溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示正常。該代次熱電偶的使用壽命周期相比之前原裝的有顯著提高，爐頭、爐中、爐中（后）和爐尾的熱電偶使用壽命分別為 4 個(gè)月，7 個(gè)月，9個(gè)月和 11 個(gè)月，見(jiàn)圖 7。

　　第一代產(chǎn)品的壽命相較原裝的熱電偶使用壽命有較大的提升，但是爐頭位置的熱電偶使用壽命為４個(gè)月，未有明顯的提升。究其原因，由于爐頭位置工藝氣和輔助燃燒氣均在此位置輸送至爐內(nèi)，爐頭工況溫度相對(duì)較為不穩(wěn)定，護(hù)套管受熱不均勻。加之爐頭結(jié)構(gòu)尺寸較小，輸入爐內(nèi)的工藝氣氣流沖擊較爐中和爐尾較強(qiáng)，雙層護(hù)套管的抗折顯然較差，因此還需要從抗熱震和抗折性方面入手改進(jìn)產(chǎn)品。
　　第一代產(chǎn)品中的爐中和爐中（后）兩支熱電偶使用壽命分別提高至７個(gè)月和９個(gè)月，測(cè)量損壞熱電偶的電極回路阻值為無(wú)窮大，均為熱電偶電極斷路，拆卸熱電偶后觀察發(fā)現(xiàn)護(hù)套管完好無(wú)損，由此判斷熱電偶護(hù)套管在持續(xù)高溫下且長(zhǎng)期在含硫的氧化性和還原性氣氛下，高溫酸性氣體通過(guò)護(hù)套管氣孔不斷侵入內(nèi)部，長(zhǎng)期沖蝕，造成電極斷路損壞。
　　通過(guò)對(duì)第一代產(chǎn)品使用效果分析得知，設(shè)計(jì)為雙層護(hù)套管結(jié)構(gòu)的熱電偶雖然在使用壽命上較原先的產(chǎn)品有所提升，但爐頭、爐中及爐中（后）這 3 個(gè)位置的熱電偶依然因護(hù)套管抗熱震和抗折性以及氣孔率性能較差等因素制約其使用壽命的延長(zhǎng)，而且第一代產(chǎn)品使用壽命均低于 12 個(gè)月，還需進(jìn)一步從護(hù)套管抗熱振和抗折性以及降低氣孔率等各方面著手改進(jìn)。

　　第二代熱電偶護(hù)套管產(chǎn)品是將原先的雙護(hù)套管增加為多層護(hù)套管（不包括保護(hù)管共為三層護(hù)套設(shè)計(jì)），最外層護(hù)套管層材質(zhì)選擇在含硫的氧化性和還原性氣氛下抗折性能相比剛玉陶瓷更優(yōu)異的 Si C，次外層和最里層護(hù)套管依然選擇優(yōu)質(zhì)的剛玉陶瓷，護(hù)套管的層與層之間采用添加細(xì)小耐高溫高嶺土絕緣粉末擠壓封裝，要求增加的護(hù)套管次外層套管壁厚不低于 3mm，最里層護(hù)套管壁厚參數(shù)為 3mm 保持不變，見(jiàn)圖 8，最外層的 Si C 護(hù)套厚度設(shè)計(jì)為６mm。

　　最終按第二代熱電偶護(hù)套管改進(jìn)技術(shù)要求生產(chǎn)了一批4 支熱電偶，并將該批次 4 支改進(jìn)后的熱電偶分別安裝在硫回收焚燒爐的爐頭、爐中、爐中（后）和爐尾 4 個(gè)不同部位，投運(yùn)后焚燒爐溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示正常，該代次熱電偶的使用壽命相比第一代改進(jìn)產(chǎn)品又有新的明顯地提高，其中爐頭、爐中、爐中（后）和爐尾的熱電偶使用壽命分別達(dá)到 12 個(gè)月，9 個(gè)月，12 個(gè)月和 18 個(gè)月。
通過(guò)對(duì)焚燒爐熱電偶護(hù)套管兩代的改進(jìn)，尤其是第二代熱電偶的改進(jìn)，熱電偶使用壽命達(dá)到 12 個(gè)月的產(chǎn)品數(shù)量占試驗(yàn)總數(shù)量的 75%。其中，爐中的熱電偶使用壽命也由第一代的 7 個(gè)月延長(zhǎng)至 9 個(gè)月，由此可推斷通過(guò)兩次對(duì)熱電偶護(hù)套管的優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)改進(jìn)后的產(chǎn)品滿足了工藝對(duì)焚燒爐溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控的要求。
4 結(jié)論
　　在熱電偶制造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)護(hù)套管的白剛玉、γ-氧化鋁微粉和硅微粉，與其他化學(xué)結(jié)合劑的重新選擇；生產(chǎn)護(hù)套管時(shí)，對(duì)燒結(jié)溫度的合理控制；套管的壁厚及直徑的調(diào)整以及護(hù)套管層次的布局，護(hù)套管層與層之間填充絕緣粉末等不同的優(yōu)化方案的綜合因素，最終會(huì)直接影響熱電偶產(chǎn)品的使用壽命（見(jiàn)圖 9）。經(jīng)硫回收裝置焚燒爐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果和熱電偶?jí)勖鼞?yīng)用周期進(jìn)行評(píng)估，第二代改進(jìn)型熱電偶產(chǎn)品，其性能完全滿足工藝要求，使用壽命達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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