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焦?fàn)t用鎧裝熱電偶失效原因分析
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焦?fàn)t用鎧裝熱電偶失效原因分析

產(chǎn)品簡介:

國內(nèi)某鋼鐵廠焦?fàn)t測溫用鎧裝熱電偶,安裝后使用 5 天便發(fā)生了失效故障,無法顯示溫度讀數(shù)。為探究其熱電偶失效原因,對其鎧裝熱電偶先后進(jìn)行了低倍下的宏觀形貌觀察、掃描斷口分析、顯微組織分析和電子探針成分分析等。

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產(chǎn)品詳情

 摘要: 國內(nèi)某鋼鐵廠焦?fàn)t測溫用鎧裝熱電偶,安裝后使用 5 天便發(fā)生了失效故障,無法顯示溫度讀數(shù)。為探究其熱電偶失效原因,對其鎧裝熱電偶先后進(jìn)行了低倍下的宏觀形貌觀察、掃描斷口分析、顯微組織分析和電子探針成分分析等。結(jié)果表明: 該熱電偶失效的原因是鎳鉻端發(fā)生了擇優(yōu)氧化。改進(jìn)措施及建議: 使用時合理選擇適合型號的熱電偶,排除 K 型熱電偶在加工時表面的氧化皮以及還原性介質(zhì)的介入和采用較小的長徑比。pDy壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
溫度測量是動力工程中#常遇到的計量問題,它是利用某些測溫物質(zhì)的物理變化來評估被測物體溫度的一種測溫方法。溫度儀表的種類眾多,其中熱電偶的使用#為廣泛[1]。鎳鉻-鎳硅( 鋁) 熱電偶在 0 ~ 1000 ℃ 的中溫范圍服役,因其價格低廉、制作工藝簡
單,常作為#基本的熱電偶材料之一[2]。其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛且使用量較大,為了避免鎳鉻-鎳硅( 鋁) 熱電偶失效帶來的經(jīng)濟(jì)損失,在日常使用過程中應(yīng)該關(guān)注其失效形式。熱電偶的“失效”有兩層含義: 一是指熱電偶在使用過程中性能下降,測量偏差增大,給測量結(jié)果帶來較大誤差; 二是指熱電偶在使用過程中發(fā)生損壞或故障,不能正常工作[3]。本文將通過鎳鉻-鎳硅熱電偶的失效形式,來探討如何能更好地在工業(yè)環(huán)境中使用該類型測溫?zé)犭娕肌?nbsp;
 
1 檢測與結(jié)果
1. 1 鎧裝熱電偶宏觀形貌觀察
該熱電偶為四芯鎧裝熱電偶,熱端套管表面氧化發(fā)黑,剝開套管后發(fā)現(xiàn)電偶絲表面均失去金屬光澤,呈灰色。同時,該電偶絲發(fā)生明顯脆化,輕碰便發(fā)生斷裂,斷面呈淡綠色。電偶絲時效后的宏觀形貌見圖 1。 
鎧裝熱電偶宏觀形貌( a) 和局部放大形貌( b)
1. 2 掃描斷口分析
將鎧裝熱電偶的電偶絲取出,放入 EPMA-1720 電子探針下觀察。可以觀察到鎳鉻電偶絲端的斷口呈明顯的河流花樣,發(fā)生了明顯的解理斷裂,如圖 2( a) 所 示; 鎳硅電偶絲端的斷口上能觀察到明顯的粗大晶粒和晶界開 裂 現(xiàn) 象,主 要 發(fā) 生 了 沿 晶 斷 裂 現(xiàn) 象,如 圖2( b) 所示。同時可以發(fā)現(xiàn)兩電偶絲斷口表面均存在嚴(yán)重氧化現(xiàn)象。 
鎳鉻和鎳硅電偶絲端斷口 SEM 形貌
1. 3 電子探針成分分析
在電偶絲熱端分別取樣,采用 EPMA-1720 電子探針對鎳鉻-鎳硅電偶絲進(jìn)行成分分析。鎳鉻電偶絲氧化嚴(yán)重,從表面到心部均已發(fā)生氧化,其中黑色區(qū)域為氧化物,白色為基體,見圖 3( b) 。波普儀( WDS) 測試表明,氧化物主要為鉻的氧化物( O: 32. 03wt% ,Si: 1. 634wt% ,Cr: 60. 384wt% ,Ni: 5. 952wt% ) ,剩余鎳鉻電偶絲基體中已經(jīng)基本不含鉻,僅其中心部分基體含有少量鉻。鎳硅絲僅表層發(fā)生明顯氧化,表面氧化層進(jìn)一步阻止了其氧化進(jìn)程的發(fā)展,見圖 3( b) 。
鎳鉻( a) 、鎳硅( b) 端熱電偶背散射形貌圖
如圖 4 為鎳鉻電偶絲樣品線掃描分析結(jié)果,可以看出測試區(qū)域橫跨基體和氧化物區(qū)域。測試結(jié)果表明,O、Cr、Si 元素在氧化物區(qū)域含量明顯增加,基體區(qū)域含量幾乎為零; 而 Co 和 Ni 元素在氧化物和基體中的含量分布趨勢與之相反。面掃描結(jié)果與線掃描一致,在氧化物區(qū)域存在 O、Cr 元素富集,如圖 5 所示。對于鎳硅電偶絲,僅在邊緣存在氧化現(xiàn)象,其氧化物成分主要為 O、Si( 此處未給出鎳硅電偶絲面掃描結(jié)果) 。通過線掃描與面掃描分析,同樣證明了熱端鎳鉻電偶絲基體中基本不含鉻元素。 
 
1. 4 顯微組織分析
在鎳鉻和鎳硅電偶絲冷端和熱端分別取樣,觀察其顯微組織,結(jié)果如圖 6 所示?梢钥闯鰳悠方(jīng)王水溶液腐蝕后,鎳鉻絲熱端已無法觀察到晶界,冷端組織細(xì)小( 晶粒度等級 5. 5 級) ; 鎳硅電偶熱端組織異常粗大( 晶粒度等級 1. 0 級) ,冷端組織細(xì)小( 晶粒度等級5. 0 級) ; 此外可以看出鎳鉻電偶絲熱端氧化嚴(yán)重,冷端未發(fā)現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象; 鎳硅絲熱端表層發(fā)生氧化,冷端未發(fā)現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象。 
 
2 綜合分析
多數(shù)情況下,熱電偶的熱電勢飄移往往由正常氧化( 測試值偏高) 引起,而鎳鉻-鎳硅熱電偶的情況較為特殊,其存在正常氧化與擇優(yōu)氧化。正常氧化,即鎳鉻-鎳硅熱電偶多次使用后,熱電極表面會形成致密的Cr2O3 氧化膜,對內(nèi)部組織具有保護(hù)作用,減緩熱電極的進(jìn)一步劣化。這種氧化膜會導(dǎo)致熱電勢向正方向變化,引起溫度示值偏高; 擇優(yōu)氧化,即由于鎳鉻-鎳硅熱電偶生產(chǎn)工藝中存在缺陷或使用溫度過高( 一般在800 ~ 980 ℃[4]) ,或鎳鉻合金處在氧分壓很低的微氧化氣氛,或存在有一氧化碳或水蒸汽的中性或還原性氣氛中時,由于合金中鉻元素受到選擇性的內(nèi)氧化,使合金表面層中的鉻逐漸貧化,進(jìn)而發(fā)展到材料的力學(xué)性能變?nèi),以?終損壞的氧化[5]。擇優(yōu)氧化因為改變了偶絲的成分,導(dǎo)致熱電勢急劇降低,即溫度向偏低方向變化[6]。
 
前述研究在 SEM 下觀察了熱電偶表面形貌以及斷口形貌,發(fā)現(xiàn)了電偶絲表面均存在嚴(yán)重氧化現(xiàn)象,其斷口均為脆性斷口。在鎳硅端上能觀察到明顯的晶界開裂現(xiàn)象與粗大的晶粒,與金相檢驗發(fā)現(xiàn)的粗大熱端晶粒相吻合,因此推斷此端為鎳鉻端; 而鎳鉻端為解理斷裂,未見明顯塑性變形,( 宏觀下觀察其表面呈淡綠色,此斷口呈現(xiàn)特殊顏色為鎳鉻電偶絲發(fā)生擇優(yōu)氧化特有的形態(tài),稱之為“綠蝕”[5]) 。成分檢測、線分析、面分析結(jié)果均表明其鎳鉻端為嚴(yán)重氧化端,基體中幾乎不含鉻,而鎳硅端僅邊緣發(fā)生氧化。各項測試結(jié)果均表明其鎳鉻端發(fā)生了擇優(yōu) 氧化。當(dāng)鎳鉻端發(fā)生擇優(yōu)氧化后將導(dǎo)致熱電勢急劇降低,即溫度向偏低方向變化,導(dǎo)致實際溫度將高于示值溫度。長期在高溫下使用,將導(dǎo)致鎳硅端過熱,造成組織粗大,而實際檢測也印證了這一現(xiàn)象,尤其對小直徑的熱電偶,晶粒尺寸與其直徑相當(dāng),這時電偶絲就很容易斷裂[3]。 
 
3 結(jié)論與建議
綜合上述分析,焦?fàn)t用熱電偶發(fā)生失效是由于在鎳鉻端發(fā)生了擇優(yōu)氧化,使實際溫度低于示值溫度,而長期在高于真實溫度的范圍內(nèi)使用也進(jìn)一步加劇了熱電偶的老化失效。
 
在制造及使用 K型熱電偶( 主要為鎳鉻-鎳硅組成,其成分、工藝決定了其發(fā)生擇優(yōu)氧化的可能性,其他型式熱電偶不具備發(fā)生擇優(yōu)氧化的必備條件) 時應(yīng)注意以下問題: ①在制造加工熱電偶電偶絲時,應(yīng)盡量除盡電偶絲表面的氧化皮,以排除擇優(yōu)氧化的氧元素供給; ②電偶絲封裝應(yīng)盡量采用較小的長徑比,避免電偶絲過于細(xì)小而出現(xiàn)供氧不足現(xiàn)象; ③生產(chǎn)及使用時,應(yīng)避免熱端表面開裂而滲入還原性氣體,如水蒸氣等; ④在選擇熱電偶測溫時,應(yīng)該考慮其測溫環(huán)境是否適合該種熱電偶使用。
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