焦爐用鎧裝熱電偶失效原因分析

 

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］。其應用領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)濟損失，在日常使用過程中應該關注其失效形式。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熱電偶。 

 

1 檢測與結果

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。 

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�？梢杂^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重氧化現(xiàn)象。 

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-鎳硅電偶絲進行成分分析。鎳鉻電偶絲氧化嚴重，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，表面氧化層進一步阻止了其氧化進程的發(fā)展，見圖 3( b) 。

如圖 4 為鎳鉻電偶絲樣品線掃描分析結果，可以看出測試區(qū)域橫跨基體和氧化物區(qū)域。測試結果表明，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，結果如圖 6 所示。可以看出樣品經(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)部組織具有保護作用，減緩熱電極的進一步劣化。這種氧化膜會導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，進而發(fā)展到材料的力學性能變?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、面分析結果均表明其鎳鉻端為嚴重氧化端，基體中幾乎不含鉻，而鎳硅端僅邊緣發(fā)生氧化。各項測試結果均表明其鎳鉻端發(fā)生了擇優(yōu) 氧化。當鎳鉻端發(fā)生擇優(yōu)氧化后將導致熱電勢急劇降低，即溫度向偏低方向變化，導致實際溫度將高于示值溫度。長期在高溫下使用，將導致鎳硅端過熱，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，這時電偶絲就很容易斷裂［3］。 

 

3 結論與建議

綜合上述分析，焦爐用熱電偶發(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) 時應注意以下問題: ①在制造加工熱電偶電偶絲時，應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電偶絲封裝應盡量采用較小的長徑比，避免電偶絲過于細小而出現(xiàn)供氧不足現(xiàn)象; ③生產(chǎn)及使用時，應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，應該考慮其測溫環(huán)境是否適合該種熱電偶使用。