某石化公司丙烯腈装置采用丙烯、氨氧化方法生产聚合级丙烯腈。装置反应所产生的高浓度有机废水、废液, 以及在事故状态下产生的氢氰酸、硫铵及乙腈等有害物质送至焚烧炉进行高温燃烧, 使有害物质在高温 (900~1 000℃) 下燃烧分解为无害烟气, 减少环境污染。焚烧炉炉膛内温度通过4支热电偶进行实时监测, 并将信号引入DCS控制系统, 便于操作人员监控。温度的实时监测能够使操作人员更好地判断焚烧炉内有害物质的燃烧情况, 为烟气达标排放提供保障。自焚烧炉投用至今, 高温热电偶故障频繁。为解决此问题, 相关技术人员通过不断分析和摸索, 对热电偶进行改进。通过实际生产验证, 改进后的热电偶运行效果良好, 明显延长热电偶的使用寿命。

热电偶有很多种类, 本装置焚烧炉采用其中比较贵重的铂铑热电偶辅以刚玉保护套管来实现高温测量。铂铑热电偶是目前最常用的高温测温元件, 具有结构简单、使用方便、测量精度高及范围广等优点。单铂铑热电偶可长期测量1 300℃、短期测量1 600℃的高温, 但是不宜和热氧多接触, 否则易使铂铑丝很快受到侵害, 因此必须加装保护套管, 保护铂铑丝免遭化学和机械作用, 避免介质中各种有害物质直接侵入热电偶丝和受到火焰的直接冲击, 延长热电偶使用寿命, 确保其测量的准确性[1]。本焚烧炉热电偶共4支, 技术参数如下:

型号WRP-440S

分度号S型

规格单支, 铂铑10-铂

电气接口M20×1.5

防护等级IP65

防爆等级Ex dⅡCT4

套管材料刚玉

套管外径21.8mm

套管插入深度670mm

法兰等级DN50mm, PN0.6MPa, RF

法兰材料304不锈钢

介质名称烟道气

介质温度900~1 000℃

介质压力微负压

4支热电偶分布在炉膛底部 (TI-3115) 、炉膛顶部 (TI-3114B、TI-3122) 、烟道 (TI-3114A) , 安装位置和尺寸如图1所示。其中, 热电偶TI-3115安装处向火面到法兰面距离为454mm, 探出长度为216mm, 焚烧炉运行时热偶指示温度约为990℃;热电偶TI-3114B和TI-3122安装处向火面到法兰面距离为359mm, 探出长度为311mm, 焚烧炉运行时热偶指示温度约为920℃;热电偶TI-3114A安装处向火面到法兰面距离为257mm, 探出长度为413mm, 焚烧炉运行时热偶指示温度约为896℃。

笔者查阅了2016年焚烧炉热电偶故障记录, 热电偶共出现9次故障 (表1) , 故障现象为维护人员对故障热电偶检查测试, 均无电压毫伏信号, 判断为热电偶本体热偶丝断。

从表2可以看出, 该焚烧炉热电偶故障频繁, 且缺乏规律性, 最短使用周期仅31天, 频繁的故障不仅增加工人的劳动强度, 还产生了昂贵的费用, 而且对焚烧炉的安全运行构成威胁, 此问题亟待解决。

通过对故障热电偶进行拆检发现, 套管均发生横向折断, 断口发生在套管探入炉膛内部部分, 未发现高温熔断现象。断定故障均是发生套管断裂, 由于套管未起到保护作用, 造成热偶丝断, 无法进行测量。

刚玉的硬度仅次于金刚石, 产品密度大, 耐磨性能好, 熔点也非常高。据资料显示, 刚玉 (Al2O397%以上) 的机械强度为:抗压强度15 000~16 000kg/cm2, 抗拉强度1 200~1 400kg/cm2, 抗弯强度2 100~2 300kg/cm2, 使用温度可达2 000℃。从数据来看, 刚玉的抗压强度比抗拉强度大十倍左右, 经应力和强度计算, 套管承受的内压比外压小得多, 抗冲击强度比一般钢材小得多, 容易脆裂折断, 虽最高可在2 000℃下使用, 但其机械强度在高温下会减弱。因此, 刚玉管抗热振性和抗折抗弯能力稍差, 不能承受碰撞, 易脆断。

本炉采用的S型热电偶正极为铂铑10, 化学成分为铂铑合金, 其中含铑10%, 含铂90%, 负极为纯铂。根据前文所述, 刚玉套管和铂铑热电偶完全能够满足温度工况的要求。同时结合热偶拆检实际, 排除高温造成的热电偶和套管损坏。

热冲击是指材料经历骤冷骤热会导致的材料的机械破坏。刚玉的传热系数低, 局部受热会引起较大的应力, 加之材料的脆性, 很容易造成开裂。材料抗热冲击指数 (TSI) 的计算公式为:

式中E———弹性模量;

k———导热系数;

α———线性膨胀系数;

σ———拉伸强度。

从式 (1) 可以看出, 对抗热冲击性能而言, k越大越好, 而α越小越好, 除此之外, 还要考虑断裂韧性对材料的影响。

表2列出了Al2O3和石墨的抗热冲击性能。可以看出, 以Al2O3为主要成分的刚玉的抗热冲击 (耐热震性能) 较差[2]。因此, 一般要求升降温速率小于5℃/min, 而生产车间针对焚烧炉升温严格按照制定的升温曲线操作 (图2) , 升温共4个阶段, 升温速率分别是0.14、0.17、0.33、0.29℃/min, 4个阶段的温升速率均能够满足刚玉套管的工作要求, 不会造成刚玉套管的断裂。

另外, 刚玉套管在线安装时, 是从环境温度升高至介质温度, 刚玉套管必须在不少于10min的时间段内缓慢地插入热电偶安装孔, 以避免刚玉套管因温升速率过快造成断裂。仪表维修人员在更换热电偶时均是严格执行相关规定。所以, 从以上两方面避免了温度骤变造成套管断裂的可能。

刚玉套管探入炉膛的长度:TI-3115为216mm、TI-3114B和TI-3122为311mm、TI-3114A为413mm。为保证焚烧炉的正常操作, 燃料气和助燃气是需要不断补充的, 进而在炉膛内产生一定的气流, 4支热电偶的刚玉套管探入炉膛内的长度在216~413mm, 在高温下受到气流的冲击, 套管易发生振动, 承受的外应力较大, 易发生套管断裂。另外, 焚烧炉炉砖少量脱落冲击套管也会造成断裂。从以上两方面的分析可以看出套管的断裂原因是探入炉膛的长度过长, 受气流的冲击和炉砖少量脱落冲击造成的。

刚玉套管的耐温度与其纯度有关系, 纯度越高, 耐温就越高, 但是其耐急冷急热的性能就越差。所以, 刚玉套管纯度也影响套管的使用寿命。此外, 孔隙率、颗粒尺寸也影响其抗热冲击性, 孔隙是造成应力集中的隐患, 对抗热冲击性能影响较大。在选用刚玉管时应挑选烧成温度高和致密性好的产品。最简易的鉴别方法是将一滴墨水滴在刚玉管表面, 如墨水不渗开, 而且墨水滴边缘界线清晰, 用清水冲洗后未留有明显痕迹, 则表明其烧成良好、吸水率低且致密度高, 适合使用, 反之不宜选用。

焚烧炉内部有用耐火砖砌筑的隔热墙, 热偶套管穿过隔热墙上的固定安装孔。如果从内表面到外表面温降均匀, 且温降平均约10℃/cm, 刚玉套管可以承受这样的温降。而出了炉墙上的热电偶孔后, 套管温度突然降低, 在外表面以外的20cm长的距离中, 套管温降巨大。如此巨大的温差会使套管产生应力而出现裂纹, 造成套管断裂损坏[3]。隔热墙的热偶安装孔应留有足够的膨胀空间, 来避免刚玉套管受热膨胀过程中被挤压产生破裂。从套管断裂部位来看, 排除从内表面到外表面套管温度骤变以及耐火砖挤压造成的损坏。

上述的原因分析, 尽可能全面地考虑了可能造成热电偶套管损坏的因素。针对原因分析, 对应采取措施避免套管和热电偶的损坏或降低其损坏几率:

a.焚烧炉内的气流和炉砖状态不会随意改变, 从避免受到冲击的角度考虑, 探入炉内的长度越小越好, 但应保证不影响温度的测量。因此, 热电偶探入焚烧炉内的长度, 对每支热电偶应单独定制插深。经过反复测试, 最终确定热电偶探入焚烧炉炉膛内长度为25mm左右, 此长度既能满足温度监控要求, 又最大限度地降低了热电偶受冲击的可能。热电偶套管插入深度修改后, TI-3115为479mm、TI-3114B和TI-3122为384mm、TI-3114A为282mm。

b.强化仪表维修人员的技能和责任心, 杜绝碰撞, 正确安装。炉内高温插入热电偶时, 一定要让保护管有足够的预热时间, 可先将热电偶导线接好, 参考DCS显示, 小幅度、多次逐步升温, 每次热电偶温度不继续上升再继续移位, 尤其是北方低温天气和100℃以下时要格外注意;从炉子抽出热电偶的过程中一定要缓慢, 参考安装过程实施。禁止将抽出后的刚玉套管直接放到地面上。

c.严控刚玉套管质量, 订货时要求厂家要严格按照标准刚玉套管进行供货, 保证其纯度, 进而保证刚玉套管的使用寿命, 入厂前验证其吸水性和致密度。

d.要求生产车间严格按照既定温度升降曲线进行操作, 避免温度剧变造成刚玉套管断裂。定期更新老化的耐火砖, 对耐火砖的热电偶安装孔进行严格的尺寸验收, 保证安装孔的尺寸。

e.建立热电偶运行台账, 热电偶的维护和检修专人负责, 总结损坏现象, 摸清运行规律, 确定套管使用周期, 及时更换套管以保护热电偶, 达到降低费用的目的。

实施上述措施后, 热电偶于2017年1月进行安装, 截至目前, 仅更换了TI-3114A一支热电偶, 效果显著。

通过对焚烧炉热电偶套管断裂故障分析, 找出了造成热电偶刚玉套管断裂的原因并采取了有效措施。经过一年多时间的运行考验, 热电偶使用寿命得到了提高, 降低了热电偶维护费用, 同时为焚烧炉可靠运行提供了有力保障。今后的工作中, 仍要继续对热电偶的运行情况进行跟踪总结, 积极采用新材料或新型金属-非金属复合套管来解决单一刚玉套管耐热冲击性能差的问题。