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環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黑，剝開套管后發現電偶絲表面均失去金屬光澤，呈灰色。同時，該電偶絲發生明顯脆化，輕碰便發生斷裂，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 象，主 要 發 生 了 沿 晶 斷 裂 現 象，如 圖2( b) 所示。同時可以發現兩電偶絲斷口表面均存在嚴重氧化現象。 

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生氧化，其中黑色區域為氧化物，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。鎳硅絲僅表層發生明顯氧化，表面氧化層進一步阻止了其氧化進程的發展，見圖 3( b) 。

如圖 4 為鎳鉻電偶絲樣品線掃描分析結果，可以看出測試區域橫跨基體和氧化物區域。測試結果表明，O、Cr、Si 元素在氧化物區域含量明顯增加，基體區域含量幾乎為零; 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?？梢钥闯鰳悠方浲跛�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，冷端未發現明顯氧化現象; 鎳硅絲熱端表層發生氧化，冷端未發現明顯氧化現象。 

 

2 綜合分析

多數情況下，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; 擇優氧化，即由于鎳鉻-鎳硅熱電偶生產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氧化，使合金表面層中的鉻逐漸貧化，進而發展到材料的力學性能變弱，以致#終損壞的氧化［5］。擇優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，發現了電偶絲表面均存在嚴重氧化現象，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象與粗大的晶粒，與金相檢驗發現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，此斷口呈現特殊顏色為鎳鉻電偶絲發生擇優氧化特有的形態，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，而鎳硅端僅邊緣發生氧化。各項測試結果均表明其鎳鉻端發生了擇優 氧化。當鎳鉻端發生擇優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，焦爐用熱電偶發生失效是由于在鎳鉻端發生了擇優氧化，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、工藝決定了其發生擇優氧化的可能性，其他型式熱電偶不具備發生擇優氧化的必備條件) 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供氧不足現象; ③生產及使用時，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，應該考慮其測溫環境是否適合該種熱電偶使用。