本文在國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，綜述工業(yè)用鎧裝熱電偶技術(shù)研究現(xiàn)狀，以貴、廉金屬鎧裝熱電偶為研究對象，分析工藝參數(shù)對其使用壽命和測溫性能的影響，探討鎧裝熱電偶中存在的問題并闡述其重點(diǎn)研究方向，以期為鎧裝熱電偶的高性能/輕量化制造提供理論依據(jù)。
1、貴金屬鎧裝熱電偶技術(shù)
1.1 貴金屬鎧裝熱電偶工藝研究
近年來隨著航空航天、石化礦冶等工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，貴金屬鎧裝熱電偶的應(yīng)用越發(fā)廣泛，獨(dú)特的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和偶絲材質(zhì)使其具備優(yōu)秀的穩(wěn)定性及高溫測量能力，如采用PtRh10作為導(dǎo)線材料，可在氧化性氣氛、真空和中性氣氛中工作達(dá)1300℃，是1000～1600℃溫區(qū)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶。但值得注意的是，在設(shè)計(jì)和研制時需考慮貴金屬偶絲、絕緣材料、套管間的物理性能是否匹配，避免膨脹系數(shù)差異過大而產(chǎn)生內(nèi)、外應(yīng)力，造成尺寸、晶粒組織變化，最終影響使用壽命和測量精度。根據(jù)熱端斷面結(jié)構(gòu)不同，貴金屬鎧裝熱電偶可分為露端式、絕緣式、接殼式及帶阻滯室式，如圖1所示。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)為保證產(chǎn)品優(yōu)良的絕緣性能，絕緣式貴金屬鎧裝熱電偶工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。
圖1 貴金屬鎧裝熱電偶熱端結(jié)構(gòu)形式
鎧裝熱電偶失效的主要形式為絕緣破壞，諸多學(xué)者對貴金屬鎧裝熱電偶的絕緣性能開展了卓有成效的研究。從工藝流程而言，各環(huán)節(jié)應(yīng)保證清潔、干燥，工作端應(yīng)進(jìn)行封裝、包覆或絕緣點(diǎn)膠。從影響因素和質(zhì)量改進(jìn)等方面發(fā)現(xiàn)絕緣材料質(zhì)量和形態(tài)是確保熱電偶優(yōu)秀高溫絕緣性能的首要條件，若將其由粉末狀燒結(jié)成管狀絕緣電阻能提高近10倍。但當(dāng)絕緣材料為氧化鎂時，由于其吸濕性很強(qiáng)，潮氣易殘留在鎧材內(nèi)，導(dǎo)致絕緣性能下降。因此封裝過程中應(yīng)在測量端保留排氣孔，利用燃燒爐加熱烘烤，同時用兆歐表反復(fù)測量絕緣電阻，當(dāng)其達(dá)到技術(shù)要求時，訊速用點(diǎn)焊封死。此外，由于偶絲位于套管內(nèi)部，通過肉眼難以準(zhǔn)確辨識工作端位置，故熱電偶在使用和校準(zhǔn)過程中必然存在測量誤差，X射線探傷技術(shù)不僅能解決此類難題，還能對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，為指導(dǎo)貴金屬鎧裝熱電偶焊接成形提供了一定的理論依據(jù)。
1.2 貴金屬鎧裝熱電偶測溫性能
國內(nèi)外學(xué)者對貴金屬鎧裝熱電偶測溫性能研究主要集中在高溫絕緣性能控制、測溫精度影響因素及電勢衰減機(jī)理上，張立新等對某航空用貴金屬鎧裝熱電偶進(jìn)行了分析，結(jié)果表明產(chǎn)品使用溫度可達(dá)1500℃，精度達(dá)到±0.25%t，高溫絕緣性能較好，但遺憾的是并未探明此性能提升的原因。研究發(fā)現(xiàn)隨著偶絲直徑減小，絕緣電阻降低，熱電動勢逐漸減小，將產(chǎn)生分流誤差，同時對比后發(fā)現(xiàn)K型鎧裝熱電偶比S型鎧裝熱電偶更易產(chǎn)生分流誤差。由此可見，通過控制偶絲材質(zhì)及直徑可以實(shí)現(xiàn)對鎧裝熱電偶高溫條件下的測溫精度控制，這與結(jié)論有所差別。隨著使用時間推移，熱電動勢值的測量溫度與實(shí)際溫度的明顯偏差即為電勢衰減。熊雅玲等對Pt-13Rh/Pt鎧裝熱電偶在高溫環(huán)境下熱電動勢衰減機(jī)理進(jìn)行了深入研究，圖2所示為Φ1.0的R型鎧裝熱電偶絲竹節(jié)區(qū)SEM形貌。由圖可以看出竹節(jié)區(qū)表面為凹凸不平的溝槽狀蝕溝形貌，說明在高溫氧化性環(huán)境中偶絲揮發(fā)出氣相Pt-Rh并最終沉積于瓷珠表面，使得實(shí)際測溫點(diǎn)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移，絕緣電阻降低，最終導(dǎo)致電勢衰減。
圖2 Φ1.0的R型鎧裝熱電偶絲竹節(jié)區(qū)SEM形貌
迄今為止，貴金屬鎧裝熱電偶研究大部分集中在過程工藝、測溫精度控制兩方面，針對其偶絲材質(zhì)的不均勻性研究非常有限。然而，偶絲的不均勻性是反映產(chǎn)品質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，對于同樣待測溫度會因?yàn)殚L度方向上塞貝克系數(shù)的差異而產(chǎn)生不同的熱電動勢，最終影響測量精度。因此，下一步工作需對此類問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。
2、廉金屬鎧裝熱電偶技術(shù)
2.1 廉金屬鎧裝熱電偶工藝研究
近年來，隨著如鉑/銠等貴金屬價格的不斷上漲，有關(guān)廉金屬鎧裝熱電偶的研究與應(yīng)用引起了世界各國注意。廉金屬鎧裝熱電偶整體形貌如圖3所示，與貴金屬鎧裝熱電偶相比，其靈敏度更高，成本更低廉，可低溫工作，逐漸成為火電化工、大型裂解爐及核反應(yīng)堆等重大裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶。K型鎧裝熱電偶具有使用溫度范圍廣、塞貝克系數(shù)大、靈敏度高、抗氧化性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是目前工業(yè)市場用量最大的廉金屬鎧裝熱電偶。
圖3 廉金屬鎧裝熱電偶
響應(yīng)時間是反映溫度傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù)，是近10年來的重點(diǎn)研究內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)研究表明，采用熱管法可有效解決數(shù)據(jù)采集復(fù)雜，測試精度不足的問題。保護(hù)套管在高溫條件下會影響廉金屬偶絲的有效熱交換，使動態(tài)誤差進(jìn)一步增大。構(gòu)建動態(tài)補(bǔ)償模型具有成本低、效果好、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，能有效改善上述情況。王志超等提出了一種新的動態(tài)補(bǔ)償模型設(shè)計(jì)方法，研究發(fā)現(xiàn)使用該模型時間常數(shù)可減小至1.91s，工作頻率可拓寬至1.56Hz。在此基礎(chǔ)之上，劉波等利用數(shù)值模擬技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著填充密實(shí)度增大，絕緣層熱導(dǎo)率增大，熱電偶響應(yīng)速度加快，這為動態(tài)特性的工藝設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)提供了一種新思路。由于鎧材在拉撥過程中添加了有機(jī)潤滑劑，使得熱處理過程中易出現(xiàn)致密黑色氧化皮，導(dǎo)致產(chǎn)品外觀劣化。研究發(fā)現(xiàn)通過酸洗+拋光工藝可有效去除氧化皮，并對比分析了不同酸洗方法對熱電勢的影響，為鎧裝熱電偶外觀養(yǎng)護(hù)、檢修提供了理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。圖4為某焦?fàn)t用K型鎧裝熱電偶鎳鉻絲、鎳硅絲的熱端斷口形貌，由圖可以觀察到各斷口均存在嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，鎳鉻絲斷口呈明顯河流花樣狀，為解理斷裂，鎳硅絲斷口存在明顯粗大晶粒和晶界開裂現(xiàn)象，為沿晶斷裂，各向測試結(jié)果綜合表明鎳鉻端發(fā)生了擇優(yōu)氧化，造成鎳硅端過熱，組織粗大，最終導(dǎo)致偶絲斷裂，并認(rèn)為合理選擇熱電偶工藝，采用較小的長徑比及盡量避免介質(zhì)介入和氧化皮產(chǎn)生可有效避免此類問題。此外，為避免套管出現(xiàn)銹蝕、爆裂等情況，在研制時應(yīng)使外套管材質(zhì)與外殼材質(zhì)盡量一致，裝配時選用鋼絲綁扎，安裝時避免彎折。若套管內(nèi)壁存在凹坑或嵌入了氧化鎂，則內(nèi)壁易遭受較大應(yīng)力而出現(xiàn)成分偏析，導(dǎo)致套管斷裂。與此同時，王京慧、葉丹等重點(diǎn)介紹了廉金屬鎧裝熱電偶的加工工藝規(guī)范，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及注意事項(xiàng)，為后續(xù)的精度控制試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。
圖4 不同熱端斷口形貌
2.2 廉金屬鎧裝熱電偶測溫性能
電勢漂移是指熱電偶在使用過程中由于溫度梯度而引起的電勢變化。近年來，諸多學(xué)者對廉金屬鎧裝熱電偶電勢漂移方面進(jìn)行了大量研究，Chen等研究發(fā)現(xiàn)電勢漂移主要由可逆和不可逆2種變化組成，通過高劑量輻照后熱電動勢顯著增大，在400℃時最高漂移可達(dá)+173μV。肖琳等成功試制出某高溫合金/高性能偶絲的鎧裝熱電偶，試驗(yàn)表明其高溫穩(wěn)定性大大提高，在850℃和1000h條件下，熱電勢變化不超過±5℃。圖5所示為1000℃下保護(hù)套管材質(zhì)為316不銹鋼、2520不銹鋼以及GH3039合金的熱電偶電勢變化情況，由圖5可以看出，保護(hù)套管為GH3039的熱電偶使用壽命最短，電勢漂移最高可達(dá)470μV；進(jìn)一步分析表明，保護(hù)套管為2520不銹鋼的熱電偶使用壽命最長，能連續(xù)工作270h且電勢漂移較低。可見，通過選擇更高質(zhì)量的保護(hù)套管能有效降低電勢漂移。此外，當(dāng)材料成分、加工工藝或檢測方法不當(dāng)時都易導(dǎo)致廉金屬鎧裝熱電偶的測溫偏差，研究提出了提高測溫精度的方法：①選用純凈度、均勻性高的偶絲；②壓實(shí)絕緣物，避免在惰性氣體中使用；③合理制定熱處理工藝和測試方法。
圖5 1000℃下不同護(hù)套材料熱電偶電勢變化
綜上所述，通過分析動態(tài)響應(yīng)、電勢漂移等方面對廉金屬鎧裝熱電偶測溫性能的影響，提出了改進(jìn)其測溫精度的措施與方法，一方面可利用ANASY等數(shù)值模擬軟件詳細(xì)分析測溫過程變化，另一方面可進(jìn)行線掃描分析等科學(xué)實(shí)驗(yàn)表征測溫精度與宏觀工藝參數(shù)間的定量關(guān)系。但仍存在一些不足，如廉金屬鎧裝熱電偶熱端既要焊牢又不過燒，對操作者技術(shù)要求很高，尤其是某些核場、軍工用的高性能熱電偶。因此，對用戶而言，工作端質(zhì)量必須嚴(yán)格進(jìn)行入廠檢測，不合格產(chǎn)品必須放棄。對生產(chǎn)廠家而言，測量端必須科學(xué)選材、制定合理裝配工藝以便更好地制造出高壽命、高精度產(chǎn)品。
3、鎧裝熱電偶技術(shù)發(fā)展趨勢
近年來，隨著車輛工程、能源工程、熱工自動檢測等工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，鎧裝熱電偶的應(yīng)用得到全面提升，其用量大，用途廣，壽命長。國內(nèi)外學(xué)者從工藝方法、動態(tài)響應(yīng)特征、高溫絕緣特性等多方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，取得了諸多有益成果。然而，隨著鎧裝熱電偶向著高性能、高壽命和輕量化的逐步發(fā)展，對其低成本制造，多區(qū)域測溫和高測量精度提出了更高要求。新型單管多點(diǎn)式鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)如圖6所示，作為一種能同時檢測多個溫度點(diǎn)的測溫傳感器，其相比傳統(tǒng)鎧裝熱電偶具有如下優(yōu)點(diǎn)：①分布靈活，測溫點(diǎn)多。外保護(hù)套管內(nèi)最高能集成30個測溫點(diǎn)，能更全面地反映工件內(nèi)部溫度和底部靠近出口及頂部靠近入口溫度；②響應(yīng)時間快，測量精度高。由于外保護(hù)管壁厚多為1.5～3.0mm，其熱傳導(dǎo)效果更好，能有效減少溫度測量的滯后性；③密封性好，安全性高。采用二級密封技術(shù)，若第一級密封泄漏，產(chǎn)品不僅能繼續(xù)工作，還能通過壓力指示儀立即檢測出泄漏處以便及時維護(hù)；④安裝更換便攜靈活。產(chǎn)品可根據(jù)用戶需求定制，各長度可調(diào)，能從反應(yīng)器頂部、底部或側(cè)面安裝，無需額外加厚承壓外保護(hù)套管。當(dāng)前，新型單管多點(diǎn)式鎧裝熱電偶的外保護(hù)套管多為奧氏體不銹鋼，若在還原性介質(zhì)中工作測溫性能難以滿足用戶要求，在實(shí)際生產(chǎn)中可替換成熱傳導(dǎo)性更好、氣密性更高且耐高溫、耐腐蝕的石英套管，進(jìn)行裝配效果會更佳。
圖6 新型單管多點(diǎn)式鎧裝熱電偶
新型單管多點(diǎn)式鎧裝熱電偶測溫效率高，安裝便捷，安全可靠，通過研究其工藝質(zhì)量與測量精度控制，推進(jìn)其工業(yè)化及輕量化生產(chǎn)，不僅能為全面準(zhǔn)確反映工件多區(qū)域溫度變化提供一種高效率、低成本的生產(chǎn)方法，還能為類似單管多支式的鎧裝熱電偶技術(shù)提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)高性能、高精度及高壽命的控性/控形一體化制造。因此，未來鎧裝熱電偶技術(shù)還應(yīng)就以上方面開展重點(diǎn)研究。
4、結(jié)語
鎧裝熱電偶由于獨(dú)特的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，能充分保證耐腐蝕、耐高溫和高強(qiáng)度等性能，廣泛應(yīng)用在光伏擴(kuò)散爐、航空發(fā)動機(jī)燃燒室、核電反應(yīng)堆等尖端領(lǐng)域。經(jīng)過多年研究，已成功實(shí)現(xiàn)貴、廉金屬鎧裝熱電偶的工業(yè)化生產(chǎn)，前者是1000～1600℃內(nèi)應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶，具有精度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；后者是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鎧裝熱電偶，具有成本低，測溫區(qū)域?qū)挼忍攸c(diǎn)。該文在國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上綜述了工業(yè)用鎧裝熱電偶技術(shù)，根據(jù)偶絲材質(zhì)不同，對貴金屬鎧裝熱電偶和廉金屬鎧裝熱電偶進(jìn)行了詳細(xì)介紹，分析了工藝參數(shù)對其使用壽命和測溫性能的影響規(guī)律，探討了鎧裝熱電偶中存在的問題，并結(jié)合當(dāng)前工業(yè)市場前景，基于多區(qū)域測溫需求，拓展了鎧裝熱電偶的重點(diǎn)研究方向，即大力推廣和發(fā)展新型單管多點(diǎn)式鎧裝熱電偶技術(shù)，通過單管多支的方式實(shí)現(xiàn)更高效集中，更低成本的的溫度測量，完善了鎧裝熱電偶的技術(shù)理論，為鎧裝熱電偶的“性”/“形”一體化制造提供了理論依據(jù)。
作者：王于金、袁鴻梵、鄧馨怡、薄新維、王小宇、何浩然、姚志遠(yuǎn)、韓校宇
