如何選擇Omega鎧裝熱電偶外護套材料

簡介
鎧裝熱電偶包含配套的熱電偶線，這些熱電偶線由通過軋 制、拉伸或旋鍛等方式壓縮直到減小至護套直徑的絕緣材料（通常是氧化鎂） 包裹。MIMS熱電偶的優(yōu)勢包括：
實現(xiàn)熱電偶線與周圍環(huán)境的化學隔離。

屏蔽電干擾源對熱電偶的干擾。
保護熱電偶線和絕緣層免受沖擊損壞。
總裝允許彎曲，具有靈活性。
二十年來，人們夸大了MIMS結(jié)構(gòu)的性能。與非護套元件相比，MIMS結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)的 情況是：可靠性較低、耐久性較差，且溫度限制也較低。在400°C (750°F)以上的環(huán) 境中使用時，含鎳MIMS熱電偶特別容易出現(xiàn)校準不穩(wěn)和壽命縮短等問題，而這是使 用和選擇熱電偶時要著重考慮的因素。

滯后
熱電滯后是導致校準不穩(wěn)的一個重要因素。 滯后是鎳鉻合金（如K型）在溫度為200°C 和600°C（*常發(fā)生在400°C）之間時發(fā) 生的一種短期有序／無序現(xiàn)象。其表現(xiàn)是熱電偶溫度在此溫度范圍內(nèi)周期變化時， 校準也會出現(xiàn)幾度的變化。在200?C和 1000?C（*常發(fā)生在750°C）之間加熱或 冷卻時，N型熱電偶的滯后可高達5°C。在 900°C時滯后為2°C到3°C。舉例來說，如 果在500°C以下使用K型熱電偶，可以通過 在450°C時進行整夜退火處理來減少滯后。
氧化

氧化是會影響校準的另一種現(xiàn)象。由于氧 化現(xiàn)象，Ni-Cr-AI合金（例如鎳鉻合金*）在500°C以上空氣環(huán)境中的壽命有限。 有一種特殊形式的氧化被稱為"線朽鉻線"(Green Rot)，它是指在含氧量低的環(huán)境（例如空氣有限且不流通的護套中）中發(fā) 生選擇性鉻氧化。鎳鉻硅的抗氧化溫度高達約1250?C (2300?F)，并且不會出現(xiàn)線朽鉻線。
幾種稱為"Nicrobell"(**)的新型護套材 料都包含鈮含量為1.5%或3.0%的鎳鉻 硅。Nicrobell"A"是為抗氧化而特制的。 另外一種稱為Nicrosil +(***)的護套材料包 含鎳鉻硅和0.15%的鎂。據(jù)報告（見參考 文獻4），與一些經(jīng)過測試的Nicrobell材料 相比，這種材料不易剝落，而且壽命可能 會更長。
鎳鉻硅本身對還原氣體（大部分燃燒過程 或許多熱處理過程的產(chǎn)物）的耐受能力不 高。將鎳鉻硅用作護套材料的其他改造方
法（如Nicrobell B、C和D）可用于應(yīng)對典 型的非氧化環(huán)境。

污染
影響校準穩(wěn)定性的第三個因素是污染。礦物絕緣、一體化設(shè)計、金屬護套熱電偶背后的理念是，對包裹熱電偶線和填充護 套的極細礦物氧化物（通常為氧化鎂）絕緣層進行均勻壓縮能密封內(nèi)部空間，從而消除污染。通過旋鍛、軋制或拉伸壓縮 的絕緣體85%左右是固體材料。這很有用，因為管材可以彎曲，也可以制造直徑更小的組件。但是，它確實可能發(fā)生氣 體（如水蒸氣或空氣）侵入的現(xiàn)象。組成熱電偶線或護套的元件也可能發(fā)生蒸汽擴散。Bentley和Morgan斷定，透過氧化鎂 絕緣層的錳蒸汽相擴散對熱電偶校準的影響*大。
 

金屬疲勞
金屬疲勞是熱電偶壽命縮短的另一個原因。護套和熱電偶線之間的溫度線性膨脹系數(shù)差異能導致加熱或冷卻時發(fā)生應(yīng)變。這些 應(yīng)變會因金屬疲勞*終導致斷裂。加熱到900?C時，鎳硅電偶合金與304不銹鋼的熱膨脹差異為長度的0.4%。鎳鉻硅與鎳硅 （支腿*容易斷裂）相比，兩者的膨脹系數(shù)差只有0.05%。因此，對于N型熱電偶的支腿來說，鎳鉻硅、Nicrosil+或Niobell制成 的護套比不銹鋼護套的抗金屬疲勞性要好。
 

成分
不銹鋼護套熱電偶的成分變化通常高于Inconel (****)護套熱電偶。Anderson等人進行的測試表明，KN支腿會出現(xiàn)鉻元素增
加，鋁元素減少。這些成分變化是導致熱電偶發(fā)生校準變化的主要因素。
大多數(shù)不銹鋼的含錳量為1%到2%。304不銹鋼的含錳量約為2%。其他不銹鋼的錳濃度在1%到10%之間。Inconel的含錳 量高達1%。根據(jù)經(jīng)驗，在1100?C時持續(xù)1000小時，護套材料中每1%的錳能導致出現(xiàn)-10?C的校準偏移。根據(jù)Bentley的測試， 在1200?C時，直徑為3 mm的N型不銹鋼護套在1000小時內(nèi)漂移-24?C。
 

濕度
護套內(nèi)的水蒸氣會產(chǎn)生多方面的影響。它能迅速被氧化鎂吸收，從而降低絕緣電阻。濕氣侵入可以在短短幾分鐘之內(nèi)毀掉 MIMS熱電偶組件。輕而言之，它會破壞鎳鉻合金表面的氧化保護涂層，進而加速損壞熱電偶組件。因水蒸氣而導致的變化 后果非常嚴重，能使絕緣電阻降低，足以使受影響的熱電偶失效。絕緣電阻降低，能導致形成開路后出現(xiàn)具誤導性的溫度讀 數(shù)、提早失效，甚至讀數(shù)錯誤。
在熱電偶制造或維修過程中可以引入水蒸氣，甚至會因空運或在建筑工地長期存儲（例如六個月）過程中產(chǎn)生的氣壓變化而引入水蒸氣。
 

建議
雖然上述內(nèi)容未提及，但這些熱電偶材料的直徑與高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和長壽命之間存在著一定的關(guān)系。在高溫環(huán)境下，支 撐電加熱器的磚表面會變?yōu)閷w。這會導致電流通過熱電偶護套（也可能通過測量儀器）傳導到地面。

圖1. 1200°C真空環(huán)境中直徑3 mm不銹鋼護套及Inconel 600護套K型和鎳鉻硅熱電偶 漂移與鎳硅熱電偶漂移的比較。漂移曲線中的波谷是"就地非均勻性測試"的結(jié)果，測試取樣是從爐中取出的5 cm。

圖2. **維持在1100°C的N型熱電偶的原位漂移。曲線分別表示空氣中帶有外徑為3mm的310 不銹鋼(SS)或鎳鉻硅(NCR)護套的礦物絕緣金屬護套熱電偶，以及1.6mm裸線熱電偶。后者的漂移范圍也已指明。

應(yīng)避免在溫度較高或具有腐蝕性的工業(yè)環(huán) 境中使用*精細的金屬護套熱電偶（細到1 mm）。
對礦物絕緣、金屬護套的熱電偶來說，與鎳鉻熱電偶（如K型或N型）配合使用時，不銹鋼護套的效果比Inconel 600或改 良的鎳鉻硅護套差。改良的鎳鉻硅護套熱電偶可在高達1100°C（N型為1200°C到1250°C）時提供更強的抗氧化能力、降低 因熱膨脹差異導致的故障、提高延展性并消除因不銹鋼或Inconel中錳的蒸汽擴散引起的漂移問題。
考慮到較新材料的供貨現(xiàn)狀，用戶可以選擇低錳（0.3%或更少）Inconel金屬護套K型MIMS熱電偶，直到改良的鎳鉻硅金屬 護套K型或N型及相應(yīng)的支持數(shù)據(jù)成熟。

Omega鎧裝熱電偶探頭外部的金屬護套用于防止內(nèi)部熱電偶線接觸到化學活性環(huán)境。有些情況下，甚至熱空氣都可以損壞熱電偶線，能使它們長久地失去準度。如何選用*佳類型的金屬護套取決于客戶的既定用途、所在行業(yè)以及所在國家／地區(qū)。例如，*常用的OMEGATM金屬護套為304不銹鋼和Inconel 600。它們可在包括食品加工行業(yè)在內(nèi)的大部分行業(yè)中使用。304不銹鋼是一種通用合金，可以輕易獲得并且材料與加工成本較低。然而，一些行業(yè)，如石油、醫(yī)藥、核工業(yè)、航空和發(fā)電等等有自己的標準，可能需要更加復(fù)雜和昂貴的合金。
右邊列出了OMEGA用來生產(chǎn)OMEGACLADTM。

304不銹鋼
OMEGA采用稱為304L的低碳型304不銹鋼，主要原因是這種材料容易焊接。一般情況下，它可與普通304不銹鋼互換。
應(yīng)用:
食品飲料加工
化工生產(chǎn)
奶制品
醫(yī)院設(shè)備
制藥設(shè)備
核反應(yīng)堆設(shè)備
輕度腐蝕物容器

溫度限制：對于循環(huán)過程*高為
871°C (1600°F)。對于溫度在
899°C (1650°F)左右或者更高
的長時間使用，請使用Inconel 600

Inconel600
這種鎳鉻含量高的合金比大多數(shù)不銹鋼都要貴。它適合在高溫下長時間使用，并且可耐受大多數(shù)普通酸和超純水的腐蝕。
應(yīng)用:
熔爐零部件
化工生產(chǎn)和食品加工
核能發(fā)電
苛性化學品
溫度限制
*高溫度1149°C (2100°F)

SUPER OMEGACLADTM
這種合金在高溫下具有出色的耐空氣腐蝕性。其表面有一層氧化鋁層，可阻止進一步氧化。這種耐氧化性能使熱電偶探頭在EMF漂移使熱電偶"失準"之前工作很長時間。耐氫氣腐蝕并且在高溫下強度很高，這也是它廣受歡迎的原因。由于結(jié)構(gòu)限制并且難于加工，這種合金比上面討論的任何合金都貴很多。
應(yīng)用:
熔爐零部件
燃氣輪機行業(yè)
催化轉(zhuǎn)換器零部件
航空航天噴氣式發(fā)動機和火箭
發(fā)動機
耐火材料錨固件
廢物焚化爐
溫度限制:
約為1216°C (2220°F)，也
可在加熱氫氣環(huán)境中使用，約
為1093°C (2000°F)

310不銹鋼
由于可在高達1038°C (1900°F)的溫度下不起氧化皮，這種材料通常在較高溫度下使用。在較高溫度時，它比304不銹鋼強度更大并且更加耐受空氣腐蝕。此外，這種材料在高溫生物燃料氣體中也表現(xiàn)不俗。
應(yīng)用：（較高溫度）
空氣加熱器
烘烤設(shè)備
化工設(shè)備
熔爐零部件
換熱器與電動設(shè)備
（它們不與硫接觸）
石油提煉
溫度限制：
*高溫度1038℃ (1900°F)

316（和316L）不銹鋼
由于其中添加了鉬，這種材料與大部分不銹鋼相比，對大多數(shù)化學品、鹽和酸的耐腐蝕性更強。對含硫或含氯液體的耐受性也不錯。
應(yīng)用：
船只裝飾件外部
化工生產(chǎn)和食品加工
石油提煉設(shè)備
制藥設(shè)備
造紙與紙漿
紡織品加工
溫度限制：
在空氣或周期性腐蝕環(huán)境中使用時，*高溫度871°C (1600°F)；空氣中使用時略高一些。

321不銹鋼
除了含鈦外，這種合金與304不銹鋼相似。它專門用于高溫下工作的焊接部件，非常適合在溫度大約427°C(800°F)的空氣和燃燒環(huán)境中長時間使用。
應(yīng)用：
飛機排氣管和集合管
噴氣式發(fā)動機零部件
煙囪襯料
焊接設(shè)備
化工設(shè)備

溫度限制：
*高溫度871°C (1600°F)

哈氏合金-X
由于其中添加了鐵、鉻和鉬，這種合金較貴。它具有出色的高溫強度和良好的抗氧化性。它是一種相對較老的合金，成本比一些較新合金低，而性能比它們出色。
應(yīng)用：
發(fā)電用燃氣輪機
航空航天應(yīng)用
工業(yè)爐窯
鍋爐和壓力容器
溫度限制：
*高溫度1177°C (2150°F)

熱電偶 分度號	護套材質(zhì)	護套直徑 mm (inch)	*高工作溫度 °C (°F)
K	304SS不銹鋼	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	500 (932) 700 (1290） 700  (1290) 700  (1290) 899 (1650) 899 (1650) 899 (1650) 899 (1650)
	Inconel® 600鎳鉻鐵合金	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	500 (932) 700(1290) 700 (1290) 700 (1290) 921 (1690) 1071 (1960) 1149 (2100) 1149 (2100)
	Super OMEGACLAD® XL超級材料	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	600 (1112) 800 (1472) 800(1472) 800 (1472) 1038 (1900) 1149 (2100) 1204 (2200) 1204 (2200)
J	304SS不銹鋼	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	260 (400) 260 (500) 260 (500) 260 (500) 441 (825) 521 (970) 621 (1150) 721 (1330)
T	304SS不銹鋼	0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	260 (500) 260 (500) 260 (500) 260 (500) 316 (600) 371 (700) 371 (700)