Публикации

Ж-л "Контрольно-измерительные приборы и системы", № 1, 2002 г. Белевцев А.В., Каржавин А.В., Каржавина Г.П., Улановский А.А.

Работая в условиях рынка и конкуренции со стороны производителей средств измерений температуры, предприятие заинтересовано в реальной экономии своих материальных и денежных ресурсов, а также средств заказчиков.

Работа всех служб Производственной компании “Тесей” направлена на снижение затрат и себестоимости продукции при сохранении и улучшении ее метрологических и технических характеристик. Результатом этой деятельности является создание новых и усовершенствование известных конструкций общепромышленных термопреобразователей.

Для юридического закрепления приоритета и права собственности на конструкции выпускаемых термопреобразователей, пользуясь имеющейся возможностью в патентном законодательстве РФ, дирекция компании приняла решение о регистрации в Роспатенте технических решений, которым не может быть присвоен статус изобретения, но обладающих новизной - как полезных моделей. На сегодняшний день предприятие имеет четыре свидетельства на полезную модель и одно решение о выдаче свидетельства.

Платиновый термопреобразователь ТППТ 01.20.
Свидетельство на полезную модель №11392 от 16.09.99 г.

Платиновый термопреобразователь ТППТ 01.20.

Для увеличения ресурса работы высокотемпературного платинородий-платинового термоэлектрического преобразователя градуировки ПП необходимо уменьшить влияние ряда факторов, непосредственно влияющих на его работоспособность:

• загрязнение электродов термопары металлами, восстановленными из газовой фазы при разложении окислов, из которых изготовлены изоляторы и чехлы;
• перенос родия, испаряющегося с платинородиевого термоэлектрода, к электроду из чистой платины;
• загрязнение электродов примесями, содержащимися в окружающей среде;
• недостаточная устойчивость керамического защитного чехла к термоударам.

Первый фактор зависит от качества материала изоляторов и чехлов, а также от технологии подготовки керамики перед сборкой защитного чехла. Влияние второго фактора можно устранить помещением электродов в цельную двухканальную соломку по всей длине высокотемпературной зоны, что и делается в зарубежных аналогах. Однако длина керамической соломки, производимой в России, ограничена величиной 400 мм, что не позволяет целиком снять проблему. Третий фактор в известных отечественных аналогах устраняется увеличением толщины наружного чехла, но это снижает его термопрочность. В зарубежных аналогах применяют два сравнительно тонкостенных (2-3 мм) защитных чехла с воздушным зазором между ними, однако зазор увеличивает инерционность термопары. Для замедления действия трех первых факторов можно также использовать термоэлектроды возможно большего диаметра (обычно 0,5 мм), что нежелательно, т.к. резко увеличивается стоимость термопреобразователя.

Перед разработчиками стояла задача по созданию надежного и недорогого термопреобразователя, изготовленного из отечественных материалов, лишенного указанных недостатков. Была предложена конструкция термоэлектрического преобразователя, состоящего из термоэлектродов, изолированных друг от друга керамической соломкой и помещенных в защитную арматуру, состоящую из внутреннего и наружного керамических чехлов (газоплотный корунд марки КТВП). Керамическая соломка одноканальная и нанизана на оба термоэлектрода так, что стыки соломок на разных термоэлектродах разнесены по длине. Это уменьшает скорость загрязнения платинового электрода родием, испаряющимся с платинородиевого термоэлектрода, а также исключает возможность перекрута термоэлектродов, что случается в местах стыков при использовании двухканальной соломки. Пространство между керамическими чехлами заполнено минеральной изоляцией. Улучшение защиты термоэлектродов позволило уменьшить диаметр положительного платинородиевого термоэлектрода (ПР10) с 0.5 до 0.4 мм, оставив платиновый термоэлектрод диаметром 0.5 мм, как менее стойкий к возможным загрязнениям. Лигатурная масса термоэлектродов, а, следовательно, и стоимость термопары уменьшились на 15%.

Заполнение пространства между керамическими чехлами минеральной изоляцией позволяет в 3-5 раз повысить теплопроводность защитной арматуры, создать более щадящий режим работы наружного защитного чехла с точки зрения термостойкости и вдвое уменьшить тепловую инерционность термопары.

Техническим результатом данного решения является, как минимум, сохранение показателей надежности термоэлектрического преобразователя на уровне аналогов при снижении его себестоимости и отпускной цены, а также расхода драгоценных металлов.

Проведенные на ОАО “Северсталь” (г. Череповец) производственные испытания термопар указанной конструкции подтвердили заявленные показатели надежности. Срок службы термопреобразователей при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур (1300°С) составил  8-10 месяцев.

Достигнутый результат может быть улучшен путем применения в конструкции высококачественных термопрочных керамических чехлов чешского производства, а также импортной двухканальной соломки длиной до 1000 мм. При этом создается максимально возможная защита термоэлектродов, что дополнительно увеличивает рабочий ресурс. Повышенная стоимость керамики компенсируется снижением лигатурной массы драгоценных металлов в термопаре, и цена термопреобразователя остается на уровне предложений других производителей.

Преобразователь термоэлектрический с составным защитным чехлом КТХА 01.16.
Свидетельство на полезную модель №14094 от 27.06.2000 г.

Преобразователь термоэлектрический с составным защитным чехлом КТХА 01.16.

Термопары хромель-алюмель для диапазона температур 800-1000°С применяются в жаростойких защитных чехлах, обычно из ферритной стали 15Х25Т, имеющей температуру начала интенсивного окалинообразования 1050°С. Эта сталь использовалась практически для всех высокотемпературных условий применения. Учитывая ее склонность к охрупчиванию в диапазоне температур 600-800°С и плохую свариваемость по сравнению со сталями аустенитного класса, специалистами компании были предложены к применению жаростойкая аустенитная сталь 10Х23Н18 с верхним пределом рабочих температур до 1000°С, а также железо-никелевый сплав ХН45Ю с предельной температурой эксплуатации на воздухе до 1300°С, перекрывающей весь диапазон измеряемых температур термопары хромель-алюмель. В отличие от стали 15Х25Т эти материалы очень хорошо свариваются, а также, как показал опыт, имеют достаточно прочный сварной шов с нержавеющей сталью типа 12Х18Н10Т.

Таким образом, мы смогли расширить и разбить высокотемпературный диапазон применения термопар ХА в защитных чехлах на два: 800-1000°С и 1000-1100°С. При этом эксплуатационные характеристики стали 10Х23Н18 оказались не хуже характеристик стали 15Х25Т. Сплав ХН45Ю обладает существенно более высокой жаростойкостью и обеспечивает рабочий ресурс при одинаковых условиях эксплуатации в 1,5-2 раза выше, чем сталь 15Х25Т.

Термопары высокотемпературного исполнения можно сделать более конкурентоспособными, снизив расход жаростойкой трубы путем применения составного защитного чехла. Распределение температуры вдоль оси защитного чехла в подавляющем числе случаев таково, что на середине длины чехла температура не превышает 700°С, а значит не имеет большого смысла изготавливать низкотемпературную часть чехла до головки из жаростойкого материала. Достаточно применить обычную нержавеющую сталь типа 12Х18Н10Т с температурой начала интенсивного окалинообразования 800°С. К тому же она хорошо сваривается с применяемыми жаростойкими материалами.

В результате была предложена конструкция высокотемпературной термопары с составным защитным чехлом: половина чехла от рабочего торца до середины изготовлена из жаростойкой трубы, остальное - из стали 12Х18Н10Т. Это позволяет уменьшить стоимость термопары, сохранив эксплуатационные характеристики составных чехлов такими же, как и для цельных чехлов. Термопары с составным чехлом из стали 10Х23Н18 предлагаются по цене в 1.5 раза дешевле, чем термопары других производителей, применяющих цельный чехол из стали 15Х25Т, а цену термопары в составном чехле с применением сплава ХН45Ю (максимальная температура длительного применения 1100°С) удалось оставить на уровне цен жаростойких термопар других производителей. Одновременно это решение позволяет существенно сократить расход дефицитной и дорогостоящей трубы.

Защитные гильзы для термопреобразователей.
Свидетельство на полезную модель №11393 от 13.04.99 г.
Свидетельство на полезную модель №16222 от 10.12.2000 г.

Гильза защитная ЮНКЖ 017

Надежная защита термопреобразователей в высокоскоростных потоках рабочей среды при высоких давлениях представляет собой непростую проблему в энергетике. При этом необходимо обеспечить малую инерционность на уровне нескольких секунд.

Обычное решение для паропроводов высокого давления - вварная гильза термопреобразователя ТХА 1387. Основные недостатки - неразборность конструкции и недостаточное удаление от наружной стенки паропровода головки термопреобразователя, что ухудшает теплоизоляцию в месте установки термопреобразователя, ведет к перегреву термопарной клеммной головки и разрушению изоляции компенсационных проводов.

По техническому заданию цеха ТАИ Костромской ГРЭС была разработана конструкция защитной гильзы модификации ЮНКЖ 017 с чувствительным элементом в виде кабельного термопреобразователя КТХА 01.03 или 01.04.

Гильза защитная ЮНКЖ 017 с чувствительным элементом

Гильза защитная ЮНКЖ 018

Диаметр кабельной части термопреобразователя 3 мм. Кабельный термопреобразователь (1) позволяет обеспечить разборность конструкции при сохранении малой инерционности (~ 6 с), а также вынести клеммную головку на дополнительное расстояние ~ 220 мм от поверхности паропровода (2) за пределы теплоизоляции (3).

Приведенная конструкция защищена свидетельством на полезную модель №11393 от 13.04.99 г. При отсутствии требований малой инерционности гильза может быть изготовлена в модификации ЮНКЖ 018. Термопарные сборки прошли успешные производственные испытания на Костромской ГРЭС.

На нефтеперерабатывающих производствах достаточно много сосудов под давлением, которые имеют стандартные вводы на условный проход Д_у=50 с монтажным фланцем. Эти вводы можно использовать для установки в рабочем объеме датчиков температуры, защищенных специальными гильзами. Использование обычных защитных гильз с резьбовым уплотнением неудобно по технологическим причинам.

По техническому заданию службы главного метролога Рязанского НПЗ, согласованному с проектной организацией, нашим предприятием была разработана и предложена конструкция защитной гильзы для термопреобразователей с фланцевым монтажным соединением ЮНКЖ 019, ЮНКЖ 020 по ГОСТ 12821-80. Вид и основные размеры соединительного уплотнения на фланце - согласно исполнений 1-9 по ГОСТ 12815-80 для заданного условного прохода фланца и ряда условных давлений до 16 МПа. Погружная часть защитной гильзы может быть выполнена из коррозионностойкой трубы (ст. 12Х18Н10Т), заглушенной с рабочего торца пробкой (ЮНКЖ 019), или из цельноточеного чехла с глухим отверстием (ЮНКЖ 020).

Гильза защитная ЮНКЖ 019	Гильза защитная ЮНКЖ 020
Конструкция гильз защищена свидетельством на полезную модель №16222 от 10.12.2000 г. и в настоящее время широко применяется при реконструкции основных производств Рязанского НПЗ, а также рассматривается возможность ее использования на Новокуйбышевском НПЗ. Одной из серьезных проблем, существующих в производстве аммиака, является измерение температуры рабочей среды над платиновым катализатором в установках конверсии метана. Очень жесткие рабочие условия: температура до 1000°С, давление до 3.0 МПа, повышенная концентрация водорода не позволяют применять термопреобразователи стандартного исполнения из-за недостаточной защиты термоэлектродов термопары от воздействия рабочей среды. Практически все предприятия азотной промышленности приобретали для этих условий термопреобразователи производства компании “OKAZAKI Manufacturing Company” (Япония), стоимостью от 5000 до 7000 долларов США за штуку. По заданию службы главного метролога корпорации “ТольяттиАзот” нами был разработан аналог японской конструкции защитной гильзы термопары ЮНКЖ 03.01. Основным элементом гильзы является цельноточеный жаростойкий защитный чехол (1) наружным диаметром 30 мм с глухим отверстием диаметром 8,2 мм и глубиной до 1250 мм. Материал чехла - железо-никелевый сплав ХН45Ю, устойчивый к водородному охрупчиванию и имеющий невысокую диффузионную проницаемость по водороду. Данный материал применен взамен железо-никелевого сплава Хайнес-25 чехла-прототипа. Для создания противодавления и дополнительного снижения концентрации диффундирующего водорода внутри гильзы организован проток инертного газа с помощью разделительной трубки “Фильда (5)”. Защитная гильза крепится на объекте с помощью монтажного фланца (2) и через штуцера (6 и 7) подключается к магистрали инертного газа. Кабельный термопреобразователь (8) градуировки хромель-алюмель или платинородий-платина устанавливается в специальное монтажное гнездо гильзы (3).
	Защитная гильза ЮНКЖ 03.01 1 - защитный чехол 2 - монтажный фланец 3 - гнездо крепления преобразователя термоэлектрического 4 - узел ввода-вывода инертного газа 5 - разделительная трубка 6 и 7 - штуцеры 8 - кабельный термопреобразователь
На данную разработку получено решение Роспатента РФ о выдаче свидетельства на полезную модель от 08.11.2000 г. Конструкция позволила заменить дорогостоящие импортные средства измерения отечественными без ухудшения их технических характеристик. Опыт нескольких лет эксплуатации таких гильз на ОАО “ТольяттиАзот” и “Череповецкий Азот” доказал высокую надежность и отличные характеристики по защите термопар в особо сложных условиях эксплуатации. Вышеописанные технические решения приводят к существенному снижению материальных затрат предприятия и, в конечном счете, отпускной цены продукции, решают конкретные технические проблемы потребителей, а в отдельных случаях позволяют отказаться от закупки зарубежных аналогов средств измерений. Современное патентное законодательство позволяет юридически оформить права на новые разработки на срок 5-8 лет, что способствует сохранению конкурентных преимуществ предприятия в условиях рынка.