| 热电偶保护管的性能和选用 |
摘要：热电偶是应用最广泛的测温传感器。而热电偶的长期稳定性、使用寿命等各项性能指标，都与保护管密切相关。热电偶损坏率的高低直接取决于保护管材料的性能。因此，本文将详细介绍各种热电偶保护管的材料、性能、选用，以供相关技术人员参考。
关键词：热电偶保护管；材料；温度测量。
一、 引言
随着自动化程度的不断提高，温度的测量涉及到国民经济的各个领域，如工农业生产、国防、科研、医疗、卫生、环保、气象以及宇航等部门。热电偶因其性能稳定、准确可靠、结构简单、使用方便、测温范围广、信号可远传等优点，在工业生产和科学研究等领域中已成为应用最广泛的感温元件。而热电偶的长期稳定性、使用寿命等各项性能指标，都与保护管密切相关。据有关数据统计，热电偶在正常的测量范围内，其损坏率的高低直接取决于保护管材料性能的优异。因此，在实际使用中正确地选择保护管，是延长热电偶使用寿命的前提。
二、 作用
热电偶保护管主要有两种用途，一是防止遭受机械损坏；二是保护热电偶免受被测介质化学腐蚀、不受氧化气氛或还原气氛的有害影响，使热电偶尽可能处于接近其最佳气氛中。因此热电偶必须加以保护，使之不受不良气氛的侵害。
热电偶在以下几种介质中使用必须隔绝：
1．当与热电偶接触会改变热电偶化学成分的各种金属（固体、液体、气体）
2．会腐蚀热电偶材料的炉气和其它蒸气（硫及其化合物是特别有害的）。
3．能腐蚀热电偶材料的各种电解质。
热电偶保护管通常为单保护管，在某些特殊情况下，可采用两个同心安装的保护管。接近热电偶的称为主保护管，外面的保护管叫辅助保护管。通常采用氧化铝管为主保护管，碳化硅管为辅助保护管套构成组合保护管，以获得良好的综合性能，如具有抗切割火焰、抗热冲击或防止机械损伤等作用。
理想的保护管应具有以下性能：
1．耐高温：在热电偶温度测量上限使用，不应产生变质和变形，在高温下抗氧化性能好。
2．耐腐蚀：当热电偶用于酸性或碱性，以及具有其他腐蚀性介质中测温时，保证有一定的寿命。
3．气密性好：可防止外界有害介质渗入保护管内部，使感温元件损坏或变质。
4．导热性好：具有较高的导热系数，时间常数小。
5．有足够的机械强度和一定的耐温剧变的性能。
6．物理、化学性能稳定：在长期使用中不和外部介质、绝缘材料、热电极材料相互作用而变质，也不产生对热电极有害的气体。
7．价格低廉。
三、 性能和选用
保护管按其材质可分为三种：
1、金属：机械强度高、导热性能好、应用非常广泛。保护管常用金属材料及用途见表1。
2、非金属：多在1000℃以上温度测量时采用，耐热性能好，震性差、导热性差。保护管常用的非金属材料及用途见表2。
3、金属陶瓷：由于金属材料机械强度高，但不耐高温；非金属材料耐高温，但机械强度低。用粉末冶金的方法制成金属陶瓷保护管，即有耐高温的性能又有较好的机械强度，有很好的应用前景，可广泛地用于钢水、铁水及高温盐浴炉等恶劣的环境。保护管常用的金属陶瓷材料及用途见表3。
表1 保护管常用的金属材料
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序号 |
材料名称 |
使用温度（℃） |
特点 |
用途 |
|
1 |
铝 |
350 |
1.质轻，有一定的稳定性 2.导热性好，机械强度差 |
适用于被测温度较低且无腐蚀性介质中 |
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2 |
黄铜(H62) |
400 |
1.气密性好 2.具有一定的抗氧化能力 3． 导热性好 |
适用于无腐蚀性介质中，表面镀镍或鉻可用于食品工业 |
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3 |
碳钢(20) |
600 |
1.有一定的抗氧化能力 2.有一定的机械强度， |
适用于有一定氧化性气氛表面，表面镀镍或鉻可用于食品工业 |
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4 |
不锈钢 (1Crl8Ni9Ti) |
900 |
1.具有良好的机械性能和抗氧化性能 2.磷酸和稀硝酸具有良好的耐腐蚀性 |
广泛应用于石油、化工、电站，工业加热炉、退火炉等的温度测量，是目前热电偶保护管的典型材料 |
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5 |
含钼钛不锈钢 (1Crl8Ni12MoTi) |
900 |
1.具有良好的机械性能和抗氧化性能 2.对磷酸和稀硝酸具有良好的耐腐蚀性 |
广泛应用于石油、化工的尿素、稀硫酸和醋酸介质的温度测量 |
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6 |
高温不锈钢 (Cr25Ti)(Cr25Si2) |
1000 |
高温抗氧化能力强，不起皮 |
适用于高温，具有一定腐蚀性介质中 |
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7 |
高温不锈钢 (CH30) (CH40) |
1100 1200 |
高温抗氧化能力强，不起皮，具有一定的抗还原性能，是目前热电偶中能耐最高温度的金属保护管材料 |
适用于高温及有腐蚀性介质中 |
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8 |
高强度钢(12CrMoVSiTiB) |
600 |
有较高机械强度和抗蠕变性能，耐震动性好 |
适用于高压和大流速的蒸汽管道中 |
表2 保护管常用的非金属材料
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序号 |
材料名称 |
使用温度（℃） |
特点 |
用途 |
|
1 |
氮化硅 |
1000 |
1.高温下有较好的抗铝溶液的冲刷能力 2.机械性能好，可切屑加工 |
适用于铝液的温度测量 |
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2 |
高铝 （85%～90% Al2O3） |
1500 |
1.有耐高温剧变性能 2.气密性根据的含量而定，含量高者气密性好 3.在1700℃下，不与空气，水蒸汽、氢气、一氧化碳等起作用，化学性能稳定 4.有一定的机械强度 5.高温下绝缘性良好 |
适用于测量高温的热电偶保护，广泛地应用于各种加热炉、煤粉燃烧炉、玻璃窑、水泥窑、钢铁工业的温度测量 |
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3 |
钢玉 （99% Al2O3） |
1600 | ||
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4 |
氧化镁 |
1600 |
1.具有良好的高温绝缘性能 2.导热性能较好 3.在1700℃下稳定性好，抗还原性较差 4.机械性能较差 5.极易受潮 |
适用于高温、绝缘性要求高的加热炉和退火炉的温度测量 |
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5 |
二硅化钼 |
1600 |
1.抗氧化和抗腐蚀性能强 2.气密性好 3.有一定的耐高温剧变性能 |
适用于含有硫的介质中的温度测量 |
表3 保护管常用的金属陶瓷材料
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序号 |
材料名称 |
使用温度（℃） |
特点 |
用途 |
|
1 |
氧化镁加金属钼 |
1700 |
1.高温下有很好的抗氧能力 2.在高温下能抗钢水冲刷、金属盐的侵蚀 3.在高温下有良好的机强度 4.耐高温剧变性能好 |
适用于钢水温度连续测量和小化肥造气炉的温度测量 |
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2 |
氧化铝加金属钼 |
1700 |
适用于高温盐浴炉的温度测量 |
表4 常用保护管选用指南
|
用途 |
保护管材料 |
用途 |
保护管材料 |
|
1、热处理： 退火 704℃以下 704℃以上 渗碳硬化处理 816℃以下 816～1093℃ 1093以上℃ 氮化盐浴 氰化物盐浴 中性盐浴 高速钢用盐浴 |
熟铁 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金
熟铁或含铬28%的铬铁 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 陶瓷 含铬28%的铬铁 镍 含铬28%的铬铁 陶瓷 |
6、水泥烧制： 出口烟道 窑加热区 |
含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 铬镍铁合金 |
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7、陶瓷生产 窑 干燥器 玻璃搪瓷窑 |
陶瓷或碳化硅 熟铁或碳化硅 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 | ||
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8、玻璃制造 前床和进料器 退火炉 顶和壁 烟道和蓄热室 |
铂套管 熟铁 陶瓷 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 | ||
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2、炼铁和炼钢： 碱性氧气炉 高炉 下气道 球顶 热风总管 炉总管 出口烟道 平炉 烟道和烟囱 砖格（蓄热室） 余热锅炉 |
石英
含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 碳化硅 铬镍铁合金 铬镍铁合金 熟铁
金属陶瓷或铬镍铁合金 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 |
9、造纸： 浸煮器 |
316类不锈钢或含铬28%的铬铁 |
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10、石油熔炼： 脱蜡 塔 输送管 分馏塔 |
304类不锈钢或碳钢 304类不锈钢或碳钢 304类不锈钢或碳钢 304类不锈钢或碳钢 | ||
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11、动力系统 煤—空气混合器 烟道气体 预热器 钢管线 水管线 锅炉管 |
304类不锈钢 熟铁或含铬28%的铬铁 熟铁或含铬28%的铬铁 347或316类不锈钢 碳钢 309或310类不锈钢 | ||
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3、钢坯加热 锻造炉 均热炉 1093℃以下 1093℃以上 |
陶瓷或碳化硅
含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 陶瓷或碳化硅 | ||
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12、煤气发生炉： 发生炉煤气 水煤气 汽化器 过热炉 |
含铬28%的铬铁
含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 | ||
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4、非铁金属处理 黄铜和青铜 铝 镁 锡 锌 酸洗槽 |
不要保护管，使用浸式热偶 含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 熟铁 超厚碳钢 超厚碳钢 化学铝 | ||
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13、食品加工： 烘焙箱 制糖和焦化蒸馏甑 蔬菜和水果 |
熟铁 熟铁 304类不锈钢 | ||
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5、锻烧炉： 1093℃以下 1093℃以上 |
含铬28%的铬铁或铬镍铁合金 陶瓷（主保护管）碳化硅（辅助保护管） |
14、化学药品及其它用途 |
因版面有限，省略 |
由于理想的保护管是不存在的，但各种材质的保护管有各自的特点。选择热电偶保护管时，要考虑以下因素：被测介质的温度、气氛、流速、腐蚀性如何，管子的粗细、壁厚、长短、气密性、抗热冲击、化学适应性、承受压力、应力、响应速度、性价比如何。我们可以根据实际情况，选择合适的保护管材料。热电偶保护管的选取原则是：根据技术指标结合实际情况，来选择方案。
在实际工作中，我们可以根据经验、厂家说明书或选用指南手册，快速地选取保护管材料。在使用这些资料时必须仔细注意各种特定的情况。常用的保护管选用指南见表4。
在测量高温燃油、燃气、燃煤系统，以及测量各种高温窑炉、热处理用的高温盐浴炉和各种金属冶炼炉等的温度时，都会遇到高温和氧、硫、焦油、氧离子等对保护管的强烈浸蚀。除要求其能经受高温物理损伤，还要其能经受化学损伤。在这种恶劣的环境中，通常使用双保护管。主保护管使用的是一种以富铝红柱石为基础添入某些添加剂的陶瓷，它具有机械和耐热冲击最好的综合性能，上限温度为1650℃。为辅助保护套管采用碳化硅套管，这种材料能抗火焰的切割作用。它是不渗透气体的，可作为致密保护套管使用，还能制成氮化物粘结型的材料，从而是渗透性大为减小。防止热电偶腐蚀，避免火焰和气流直接冲击以及提高热电偶的强度
因此，在这类恶劣条件下测温，对保护管的要求比较苛刻：在测温范围内材料不变形，不变质，耐温度突变的冲击，耐被测温介质的浸蚀且材质应当是致密的，不会产生被测介质的任何渗漏以免损伤热电极，材料导热性能要好且易于加工制造。主要的耐高温保护管材料见表5 。
表5 耐高温保护管材料
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名称 |
最高使用温度（℃） |
抗热应力性能 |
|
铂铑10合金 |
1700 |
很好 |
|
铱 |
2100 |
很好 |
|
钼 |
1850 |
很好 |
|
蓝宝石晶体 |
1950 |
很好 |
|
烧结氧化铝 |
1900 |
好 |
|
烧结氧化铍 |
1900 |
优 |
|
烧结氧化钙 |
2000 |
一般~差 |
|
铬+氧化铝金属陶瓷 |
1300 |
优 |
|
烧结氧化镁 |
1900 |
一般~差 |
|
烧结富铝红柱石 |
1750 |
好 |
|
烧结镁橄榄石 |
1750 |
一般~差 |
|
烧结氧化尖晶石 |
1850 |
一般 |
|
烧结氧化钛 |
1600 |
一般~差 |
|
烧结氧化钍 |
2500 |
一般~差 |
|
烧结氧化钇 |
2000 |
一般~差 |
|
烧结二氧化铀 |
2200 |
一般~差 |
|
烧结氧化稳定氧化锆 |
2200 |
一般~差 |
|
烧结锆石 |
1800 |
好 |
|
石英玻璃 |
1100 |
好 |
|
富铝红柱石瓷 |
1400 |
好 |
|
高氧化铝瓷 |
1500 |
很好 |
四、 存在的问题
热电偶保护管虽然种类繁多，技术成熟，但是，它们只能在常规场合使用，尚不能满足许多特殊领域的要求。尤其是在高温高腐蚀环境，由于保护管的使用寿命问题没有得到根本解决，在许多领域连续测温成为难题，主要有以下几个行业：
1、铝电解槽连续测量。铝电解槽温度的连续测量，对于实时监控电解槽运行状况，对其运行状况进行综合分析，并加以控制，从而使电解槽各项技术指标达到最佳值，具有重要意义。然而，铝电解槽的连续测温是一个国际性难题。主要原因有两个。
一是电解槽内电解质对保护管有很强的腐蚀性。二是电解槽内部温度高，正常温度940~970℃之间。出现效应时可达1000~1200℃。所以目前工厂普遍采用间断测温法。
2、渗碳炉温度测量
3、铜冶炼过程中的熔体连续测温仍在研究。铜液的连续测温通常采用金属陶瓷保护管，表面加保护涂层。
4、高温流动粉体的温度测量，对于输煤系统、流化床、水泥熟料、耐火材料等流动粉体的温度测量，由于流动粉体对保护管磨损及腐蚀均很严重。目前对低于500℃的流动粉体，可采用高强度钢或表面改性技术，喷涂WC或Ni-Cr-B，其硬度可达到60~70(HRe)。如果常温在1000℃左右，可采用钴基合金保护管。该保护管具有优异的耐热冲击、耐磨性能及高温强度，对硫化物及钒良好的耐蚀性，但价格昂贵。超高温真空炉连续测温、高温盐浴炉连续测温。
5、钢水连续测温，钢水温度高达1600℃以上，钢水和渣液对热电偶保护管有很强的侵蚀作用，热电偶保护管由环境温度下进入钢水时要经受巨大的热冲击和冲刷应力，使钢水连续测温成为国际性难题，一直没有进展。
针对上述课题，我国科研工作者长期在为之奋斗。据笔者所知，科研院所及大学的精密陶瓷实验室、材料系等有关部门，都希望借助于新材料新工艺，研制使用寿命长、性价比高的新型保护管。热电偶保护管的寿命问题一旦得到突破，特殊领域的连续测温难题就会迎刃而解。