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某石化公司丙烯腈裝置采用丙烯、氨氧化方法生產聚合級丙烯腈。裝置反應所產生的高濃度有機廢水、廢液, 以及在事故狀態下產生的氫氰酸、硫銨及乙腈等有害物質送至焚燒爐進行高溫燃燒, 使有害物質在高溫 (900~1 000℃) 下燃燒分解為無害煙氣, 減少環境污染。焚燒爐爐膛內溫度通過4支熱電偶進行實時監測, 并將信號引入DCS控制系統, 便于操作人員監控。溫度的實時監測能夠使操作人員更好地判斷焚燒爐內有害物質的燃燒情況, 為煙氣達標排放提供保障。自焚燒爐投用至今, 高溫熱電偶故障頻繁。為解決此問題, 相關技術人員通過不斷分析和摸索, 對熱電偶進行改進。通過實際生產驗證, 改進后的熱電偶運行效果良好, 明顯延長熱電偶的使用壽命。

熱電偶有很多種類, 本裝置焚燒爐采用其中比較貴重的鉑銠熱電偶輔以剛玉保護套管來實現高溫測量。鉑銠熱電偶是目前最常用的高溫測溫元件, 具有結構簡單、使用方便、測量精度高及范圍廣等優點。單鉑銠熱電偶可長期測量1 300℃、短期測量1 600℃的高溫, 但是不宜和熱氧多接觸, 否則易使鉑銠絲很快受到侵害, 因此必須加裝保護套管, 保護鉑銠絲免遭化學和機械作用, 避免介質中各種有害物質直接侵入熱電偶絲和受到火焰的直接沖擊, 延長熱電偶使用壽命, 確保其測量的準確性

圖1 熱電偶安裝位置和尺寸

從表2可以看出, 該焚燒爐熱電偶故障頻繁, 且缺乏規律性, 最短使用周期僅31天, 頻繁的故障不僅增加工人的勞動強度, 還產生了昂貴的費用, 而且對焚燒爐的安全運行構成威脅, 此問題亟待解決。

通過對故障熱電偶進行拆檢發現, 套管均發生橫向折斷, 斷口發生在套管探入爐膛內部部分, 未發現高溫熔斷現象。斷定故障均是發生套管斷裂, 由于套管未起到保護作用, 造成熱偶絲斷, 無法進行測量。

剛玉的硬度僅次于金剛石, 產品密度大, 耐磨性能好, 熔點也非常高。據資料顯示, 剛玉 (Al2O397%以上) 的機械強度為:抗壓強度15 000~16 000kg/cm2, 抗拉強度1 200~1 400kg/cm2, 抗彎強度2 100~2 300kg/cm2, 使用溫度可達2 000℃。從數據來看, 剛玉的抗壓強度比抗拉強度大十倍左右, 經應力和強度計算, 套管承受的內壓比外壓小得多, 抗沖擊強度比一般鋼材小得多, 容易脆裂折斷, 雖最高可在2 000℃下使用, 但其機械強度在高溫下會減弱。因此, 剛玉管抗熱振性和抗折抗彎能力稍差, 不能承受碰撞, 易脆斷。

本爐采用的S型熱電偶正極為鉑銠10, 化學成分為鉑銠合金, 其中含銠10%, 含鉑90%, 負極為純鉑。根據前文所述, 剛玉套管和鉑銠熱電偶完全能夠滿足溫度工況的要求。同時結合熱偶拆檢實際, 排除高溫造成的熱電偶和套管損壞。

熱沖擊是指材料經歷驟冷驟熱會導致的材料的機械破壞。剛玉的傳熱系數低, 局部受熱會引起較大的應力, 加之材料的脆性, 很容易造成開裂。材料抗熱沖擊指數 (TSI) 的計算公式為:

式中E———彈性模量;

k———導熱系數;

α———線性膨脹系數;

σ———拉伸強度。

從式 (1) 可以看出, 對抗熱沖擊性能而言, k越大越好, 而α越小越好, 除此之外, 還要考慮斷裂韌性對材料的影響。

表2列出了Al2O3和石墨的抗熱沖擊性能。可以看出, 以Al2O3為主要成分的剛玉的抗熱沖擊 (耐熱震性能) 較差

另外, 剛玉套管在線安裝時, 是從環境溫度升高至介質溫度, 剛玉套管必須在不少于10min的時間段內緩慢地插入熱電偶安裝孔, 以避免剛玉套管因溫升速率過快造成斷裂。儀表維修人員在更換熱電偶時均是嚴格執行相關規定。所以, 從以上兩方面避免了溫度驟變造成套管斷裂的可能。

剛玉套管探入爐膛的長度:TI-3115為216mm、TI-3114B和TI-3122為311mm、TI-3114A為413mm。為保證焚燒爐的正常操作, 燃料氣和助燃氣是需要不斷補充的, 進而在爐膛內產生一定的氣流, 4支熱電偶的剛玉套管探入爐膛內的長度在216~413mm, 在高溫下受到氣流的沖擊, 套管易發生振動, 承受的外應力較大, 易發生套管斷裂。另外, 焚燒爐爐磚少量脫落沖擊套管也會造成斷裂。從以上兩方面的分析可以看出套管的斷裂原因是探入爐膛的長度過長, 受氣流的沖擊和爐磚少量脫落沖擊造成的。

剛玉套管的耐溫度與其純度有關系, 純度越高, 耐溫就越高, 但是其耐急冷急熱的性能就越差。所以, 剛玉套管純度也影響套管的使用壽命。此外, 孔隙率、顆粒尺寸也影響其抗熱沖擊性, 孔隙是造成應力集中的隱患, 對抗熱沖擊性能影響較大。在選用剛玉管時應挑選燒成溫度高和致密性好的產品。最簡易的鑒別方法是將一滴墨水滴在剛玉管表面, 如墨水不滲開, 而且墨水滴邊緣界線清晰, 用清水沖洗后未留有明顯痕跡, 則表明其燒成良好、吸水率低且致密度高, 適合使用, 反之不宜選用。

焚燒爐內部有用耐火磚砌筑的隔熱墻, 熱偶套管穿過隔熱墻上的固定安裝孔。如果從內表面到外表面溫降均勻, 且溫降平均約10℃/cm, 剛玉套管可以承受這樣的溫降。而出了爐墻上的熱電偶孔后, 套管溫度突然降低, 在外表面以外的20cm長的距離中, 套管溫降巨大。如此巨大的溫差會使套管產生應力而出現裂紋, 造成套管斷裂損壞[3]。隔熱墻的熱偶安裝孔應留有足夠的膨脹空間, 來避免剛玉套管受熱膨脹過程中被擠壓產生破裂。從套管斷裂部位來看, 排除從內表面到外表面套管溫度驟變以及耐火磚擠壓造成的損壞。

上述的原因分析, 盡可能全面地考慮了可能造成熱電偶套管損壞的因素。針對原因分析, 對應采取措施避免套管和熱電偶的損壞或降低其損壞幾率:

a.焚燒爐內的氣流和爐磚狀態不會隨意改變, 從避免受到沖擊的角度考慮, 探入爐內的長度越小越好, 但應保證不影響溫度的測量。因此, 熱電偶探入焚燒爐內的長度, 對每支熱電偶應單獨定制插深。經過反復測試, 最終確定熱電偶探入焚燒爐爐膛內長度為25mm左右, 此長度既能滿足溫度監控要求, 又最大限度地降低了熱電偶受沖擊的可能。熱電偶套管插入深度修改后, TI-3115為479mm、TI-3114B和TI-3122為384mm、TI-3114A為282mm。

b.強化儀表維修人員的技能和責任心, 杜絕碰撞, 正確安裝。爐內高溫插入熱電偶時, 一定要讓保護管有足夠的預熱時間, 可先將熱電偶導線接好, 參考DCS顯示, 小幅度、多次逐步升溫, 每次熱電偶溫度不繼續上升再繼續移位, 尤其是北方低溫天氣和100℃以下時要格外注意;從爐子抽出熱電偶的過程中一定要緩慢, 參考安裝過程實施。禁止將抽出后的剛玉套管直接放到地面上。

c.嚴控剛玉套管質量, 訂貨時要求廠家要嚴格按照標準剛玉套管進行供貨, 保證其純度, 進而保證剛玉套管的使用壽命, 入廠前驗證其吸水性和致密度。

d.要求生產車間嚴格按照既定溫度升降曲線進行操作, 避免溫度劇變造成剛玉套管斷裂。定期更新老化的耐火磚, 對耐火磚的熱電偶安裝孔進行嚴格的尺寸驗收, 保證安裝孔的尺寸。

e.建立熱電偶運行臺賬, 熱電偶的維護和檢修專人負責, 總結損壞現象, 摸清運行規律, 確定套管使用周期, 及時更換套管以保護熱電偶, 達到降低費用的目的。

實施上述措施后, 熱電偶于2017年1月進行安裝, 截至目前, 僅更換了TI-3114A一支熱電偶, 效果顯著。

通過對焚燒爐熱電偶套管斷裂故障分析, 找出了造成熱電偶剛玉套管斷裂的原因并采取了有效措施。經過一年多時間的運行考驗, 熱電偶使用壽命得到了提高, 降低了熱電偶維護費用, 同時為焚燒爐可靠運行提供了有力保障。今后的工作中, 仍要繼續對熱電偶的運行情況進行跟蹤總結, 積極采用新材料或新型金屬-非金屬復合套管來解決單一剛玉套管耐熱沖擊性能差的問題。