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K型熱電偶溫度傳感器中的晶粒生長：一些原因和解決方案
隨著時(shí)間的推移，極高的溫度會導(dǎo)致 K 型熱電偶中的晶粒長大，從而導(dǎo)致金屬分離和熱電偶故障。幸運(yùn)的是，存在用于最小化晶粒生長影響的良好解決方案。
晶粒長大是 K 型熱電偶失效的常見原因。在燃燒過程爐中的管皮溫度測量等應(yīng)用中，溫度測量設(shè)備暴露在過程氣體和輻射能中，產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)高于管皮溫度測量結(jié)點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移溫度升高是晶粒生長的首要因素，最終會損壞熱電偶。
晶粒生長的原因和影響
金屬晶體結(jié)構(gòu)示例
晶粒生長是材料的微晶或晶粒變大的條件。在熱電偶中，它是一種失效模式，與金屬的晶粒結(jié)構(gòu)、不同的膨脹系數(shù)和應(yīng)用的高溫有關(guān)——K 型高于 649°C。
護(hù)套熱電偶包含三種不同類型的金屬：一種在正極導(dǎo)體中，另一種在負(fù)極導(dǎo)體中，第三種類型在護(hù)套中。護(hù)套通常由不銹鋼或其他合金制成，而每種類型的熱電偶都有一對特定的金屬導(dǎo)體。K 型是最常用的熱電偶，有一個 NiCr (Chromel®) 正極和一個 NiAl (Alumel®) 負(fù)極。
每種金屬都有不同的膨脹系數(shù)——不銹鋼最大，負(fù)腿最小。因此，每次 K 型熱電偶暴露在高溫下時(shí)，負(fù)導(dǎo)體腿都會承受壓力。NiAl 的晶體結(jié)構(gòu)從具有許多小晶粒（加工或制造狀態(tài)）到少數(shù)大晶粒（松弛狀態(tài)）。大晶體結(jié)構(gòu)具有較少的機(jī)械“粗糙度”和較少的“壁架”，當(dāng)受到不同膨脹的壓力時(shí)，導(dǎo)致負(fù)極導(dǎo)體實(shí)際上分離。小導(dǎo)體也比大導(dǎo)體更容易受到晶粒生長的影響。
K 型熱電偶中的晶粒生長和失效已經(jīng)得到很好的證實(shí)。在一項(xiàng)測試中，外徑 為 6mm的 310 不銹鋼護(hù)套 K 型熱電偶持續(xù)承受 1,093°C 至 1,149°C之間的溫度。隨著時(shí)間的推移，所有樣品在 線材的橫截面上都顯示出 2 到 5 個晶粒的廣泛晶粒生長，盡管并非所有樣品都失敗了。隨著時(shí)間的推移失敗率：
●三個月內(nèi) 10%
●六個月內(nèi) 60%
●11 個月內(nèi) 72%
如何減少晶粒生長并將其影響降至最低
減少 K 型熱電偶晶粒生長的主要方法有三種。
1 護(hù)套材料：一種方法是選擇系數(shù)與導(dǎo)體的系數(shù)非常匹配的護(hù)套材料。傳統(tǒng)護(hù)套通常由 310 不銹鋼制成。護(hù)套的膨脹系數(shù)和 線材的膨脹系數(shù)之間的巨大差異導(dǎo)致上述測試中熱電偶故障率很高。如果導(dǎo)體和護(hù)套膨脹系數(shù)相同，晶粒生長會顯著減少甚至完全消除。
600 的膨脹系數(shù)更接近于導(dǎo)線的膨脹系數(shù)。這種合金在高溫下工作良好，但只能在沒有硫或其他還原劑的環(huán)境中使用，這會導(dǎo)致鉻氧化或“綠腐病”。
I600 多年來一直是減少晶粒生長的首選材料，直到出現(xiàn)新材料。Pyrosil®D 或 Incotherm® Alloy TD——它們是相同的產(chǎn)品，但由不同的制造商生產(chǎn)——提供更好的防止晶粒生長的保護(hù)。這種合金的配方比不銹鋼含有更少的污染物，并且膨脹系數(shù)幾乎與 N 型熱電偶的導(dǎo)體膨脹完全匹配。事實(shí)上，對于高溫爐應(yīng)用，主要煉油公司使用包裹在 Pyrosil/Alloy TD 中的熱電偶已成為標(biāo)準(zhǔn)做法。
2 工程電纜：由于較小的導(dǎo)體比較大的導(dǎo)體更容易受到晶粒生長的影響，“工程電纜”可以解決這種情況。維連 使用按照我們的規(guī)格設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn) MI（礦物絕緣）電纜。負(fù)腿做得更大，這使它對谷物生長分離的抵抗力更大。
3 熱電偶放置：對于火焰工藝爐，保持熱電偶護(hù)套與爐管接觸并將管用作散熱器是使熱電偶保持比周圍氣體溫度低得多的兩種方法，從而延長熱電偶的使用壽命并降低熱電偶的使用壽命故障率。
只要 K 型熱電偶反復(fù)暴露在極高的溫度下，就有可能出現(xiàn)晶粒生長。但是由于更新、更好的冶金和工程技術(shù)，晶粒生長不再是過去的主要威脅。維連 的溫度測量專家了解爐管皮熱電偶和煉油廠的獨(dú)特要求。聯(lián)系我們以了解最適合您應(yīng)用的熱電偶類型和組件。電話/微信18717811268 黃工 [email protected]
