如何选择Omega铠装热电偶外护套材料

如何选择Omega铠装热电偶外护套材料

简介
铠装热电偶包含配套的热电偶线，这些热电偶线由通过轧 制、拉伸或旋锻等方式压缩直到减小至护套直径的绝缘材料（通常是氧化镁） 包裹。MIMS热电偶的优势包括：
实现热电偶线与周围环境的化学隔离。

屏蔽电干扰源对热电偶的干扰。
保护热电偶线和绝缘层免受冲击损坏。
总装允许弯曲，具有灵活性。
二十年来，人们夸大了MIMS结构的性能。与非护套元件相比，MIMS结构频繁出现的 情况是：可靠性较低、耐久性较差，且温度限制也较低。在400°C (750°F)以上的环 境中使用时，含镍MIMS热电偶特别容易出现校准不稳和寿命缩短等问题，而这是使 用和选择热电偶时要着重考虑的因素。

滞后
热电滞后是导致校准不稳的一个重要因素。 滞后是镍铬合金（如K型）在温度为200°C 和600°C（*常发生在400°C）之间时发 生的一种短期有序／无序现象。其表现是热电偶温度在此温度范围内周期变化时， 校准也会出现几度的变化。在200˚C和 1000˚C（*常发生在750°C）之间加热或 冷却时，N型热电偶的滞后可高达5°C。在 900°C时滞后为2°C到3°C。举例来说，如 果在500°C以下使用K型热电偶，可以通过 在450°C时进行整夜退火处理来减少滞后。
氧化

氧化是会影响校准的另一种现象。由于氧 化现象，Ni-Cr-AI合金（例如镍铬合金*）在500°C以上空气环境中的寿命有限。 有一种特殊形式的氧化被称为"线朽铬线"(Green Rot)，它是指在含氧量低的环境（例如空气有限且不流通的护套中）中发 生选择性铬氧化。镍铬硅的抗氧化温度高达约1250˚C (2300˚F)，并且不会出现线朽铬线。
几种称为"Nicrobell"(**)的新型护套材 料都包含铌含量为1.5%或3.0%的镍铬 硅。Nicrobell"A"是为抗氧化而特制的。 另外一种称为Nicrosil +(***)的护套材料包 含镍铬硅和0.15%的镁。据报告（见参考 文献4），与一些经过测试的Nicrobell材料 相比，这种材料不易剥落，而且寿命可能 会更长。
镍铬硅本身对还原气体（大部分燃烧过程 或许多热处理过程的产物）的耐受能力不 高。将镍铬硅用作护套材料的其他改造方
法（如Nicrobell B、C和D）可用于应对典 型的非氧化环境。

污染
影响校准稳定性的第三个因素是污染。矿物绝缘、一体化设计、金属护套热电偶背后的理念是，对包裹热电偶线和填充护 套的极细矿物氧化物（通常为氧化镁）绝缘层进行均匀压缩能密封内部空间，从而消除污染。通过旋锻、轧制或拉伸压缩 的绝缘体85%左右是固体材料。这很有用，因为管材可以弯曲，也可以制造直径更小的组件。但是，它确实可能发生气 体（如水蒸气或空气）侵入的现象。组成热电偶线或护套的元件也可能发生蒸汽扩散。Bentley和Morgan断定，透过氧化镁 绝缘层的锰蒸汽相扩散对热电偶校准的影响*大。
 

金属疲劳
金属疲劳是热电偶寿命缩短的另一个原因。护套和热电偶线之间的温度线性膨胀系数差异能导致加热或冷却时发生应变。这些 应变会因金属疲劳*终导致断裂。加热到900˚C时，镍硅电偶合金与304不锈钢的热膨胀差异为长度的0.4%。镍铬硅与镍硅 （支腿*容易断裂）相比，两者的膨胀系数差只有0.05%。因此，对于N型热电偶的支腿来说，镍铬硅、Nicrosil+或Niobell制成 的护套比不锈钢护套的抗金属疲劳性要好。
 

成分
不锈钢护套热电偶的成分变化通常高于Inconel (****)护套热电偶。Anderson等人进行的测试表明，KN支腿会出现铬元素增
加，铝元素减少。这些成分变化是导致热电偶发生校准变化的主要因素。
大多数不锈钢的含锰量为1%到2%。304不锈钢的含锰量约为2%。其他不锈钢的锰浓度在1%到10%之间。Inconel的含锰 量高达1%。根据经验，在1100˚C时持续1000小时，护套材料中每1%的锰能导致出现-10˚C的校准偏移。根据Bentley的测试， 在1200˚C时，直径为3 mm的N型不锈钢护套在1000小时内漂移-24˚C。
 

湿度
护套内的水蒸气会产生多方面的影响。它能迅速被氧化镁吸收，从而降低绝缘电阻。湿气侵入可以在短短几分钟之内毁掉 MIMS热电偶组件。轻而言之，它会破坏镍铬合金表面的氧化保护涂层，进而加速损坏热电偶组件。因水蒸气而导致的变化 后果非常严重，能使绝缘电阻降低，足以使受影响的热电偶失效。绝缘电阻降低，能导致形成开路后出现具误导性的温度读 数、提早失效，甚至读数错误。
在热电偶制造或维修过程中可以引入水蒸气，甚至会因空运或在建筑工地长期存储（例如六个月）过程中产生的气压变化而引入水蒸气。
 

建议
虽然上述内容未提及，但这些热电偶材料的直径与高温环境下的稳定性和长寿命之间存在着一定的关系。在高温环境下，支 撑电加热器的砖表面会变为导体。这会导致电流通过热电偶护套（也可能通过测量仪器）传导到地面。

图1. 1200°C真空环境中直径3 mm不锈钢护套及Inconel 600护套K型和镍铬硅热电偶 漂移与镍硅热电偶漂移的比较。漂移曲线中的波谷是"就地非均匀性测试"的结果，测试取样是从炉中取出的5 cm。

图2. **维持在1100°C的N型热电偶的原位漂移。曲线分别表示空气中带有外径为3mm的310 不锈钢(SS)或镍铬硅(NCR)护套的矿物绝缘金属护套热电偶，以及1.6mm裸线热电偶。后者的漂移范围也已指明。

应避免在温度较高或具有腐蚀性的工业环 境中使用*精细的金属护套热电偶（细到1 mm）。
对矿物绝缘、金属护套的热电偶来说，与镍铬热电偶（如K型或N型）配合使用时，不锈钢护套的效果比Inconel 600或改 良的镍铬硅护套差。改良的镍铬硅护套热电偶可在高达1100°C（N型为1200°C到1250°C）时提供更强的抗氧化能力、降低 因热膨胀差异导致的故障、提高延展性并消除因不锈钢或Inconel中锰的蒸汽扩散引起的漂移问题。
考虑到较新材料的供货现状，用户可以选择低锰（0.3%或更少）Inconel金属护套K型MIMS热电偶，直到改良的镍铬硅金属 护套K型或N型及相应的支持数据成熟。

Omega铠装热电偶探头外部的金属护套用于防止内部热电偶线接触到化学活性环境。有些情况下，甚至热空气都可以损坏热电偶线，能使它们长久地失去准度。如何选用*佳类型的金属护套取决于客户的既定用途、所在行业以及所在国家／地区。例如，*常用的OMEGATM金属护套为304不锈钢和Inconel 600。它们可在包括食品加工行业在内的大部分行业中使用。304不锈钢是一种通用合金，可以轻易获得并且材料与加工成本较低。然而，一些行业，如石油、医药、核工业、航空和发电等等有自己的标准，可能需要更加复杂和昂贵的合金。
右边列出了OMEGA用来生产OMEGACLADTM。

304不锈钢
OMEGA采用称为304L的低碳型304不锈钢，主要原因是这种材料容易焊接。一般情况下，它可与普通304不锈钢互换。
应用:
食品饮料加工
化工生产
奶制品
医院设备
制药设备
核反应堆设备
轻度腐蚀物容器

温度限制：对于循环过程*高为
871°C (1600°F)。对于温度在
899°C (1650°F)左右或者更高
的长时间使用，请使用Inconel 600

Inconel600
这种镍铬含量高的合金比大多数不锈钢都要贵。它适合在高温下长时间使用，并且可耐受大多数普通酸和超纯水的腐蚀。
应用:
熔炉零部件
化工生产和食品加工
核能发电
苛性化学品
温度限制
*高温度1149°C (2100°F)

SUPER OMEGACLADTM
这种合金在高温下具有出色的耐空气腐蚀性。其表面有一层氧化铝层，可阻止进一步氧化。这种耐氧化性能使热电偶探头在EMF漂移使热电偶"失准"之前工作很长时间。耐氢气腐蚀并且在高温下强度很高，这也是它广受欢迎的原因。由于结构限制并且难于加工，这种合金比上面讨论的任何合金都贵很多。
应用:
熔炉零部件
燃气轮机行业
催化转换器零部件
航空航天喷气式发动机和火箭
发动机
耐火材料锚固件
废物焚化炉
温度限制:
约为1216°C (2220°F)，也
可在加热氢气环境中使用，约
为1093°C (2000°F)

310不锈钢
由于可在高达1038°C (1900°F)的温度下不起氧化皮，这种材料通常在较高温度下使用。在较高温度时，它比304不锈钢强度更大并且更加耐受空气腐蚀。此外，这种材料在高温生物燃料气体中也表现不俗。
应用：（较高温度）
空气加热器
烘烤设备
化工设备
熔炉零部件
换热器与电动设备
（它们不与硫接触）
石油提炼
温度限制：
*高温度1038℃ (1900°F)

316（和316L）不锈钢
由于其中添加了钼，这种材料与大部分不锈钢相比，对大多数化学品、盐和酸的耐腐蚀性更强。对含硫或含氯液体的耐受性也不错。
应用：
船只装饰件外部
化工生产和食品加工
石油提炼设备
制药设备
造纸与纸浆
纺织品加工
温度限制：
在空气或周期性腐蚀环境中使用时，*高温度871°C (1600°F)；空气中使用时略高一些。

321不锈钢
除了含钛外，这种合金与304不锈钢相似。它专门用于高温下工作的焊接部件，非常适合在温度大约427°C(800°F)的空气和燃烧环境中长时间使用。
应用：
飞机排气管和集合管
喷气式发动机零部件
烟囱衬料
焊接设备
化工设备

温度限制：
*高温度871°C (1600°F)

哈氏合金-X
由于其中添加了铁、铬和钼，这种合金较贵。它具有出色的高温强度和良好的抗氧化性。它是一种相对较老的合金，成本比一些较新合金低，而性能比它们出色。
应用：
发电用燃气轮机
航空航天应用
工业炉窑
锅炉和压力容器
温度限制：
*高温度1177°C (2150°F)

热电偶 分度号	护套材质	护套直径 mm (inch)	*高工作温度 °C (°F)
K	304SS不锈钢	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镍鉻铁合金	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超级材料	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不锈钢	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不锈钢	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)