Современные технологии изготовления термопар за счет использования специальных кабелей с минеральной изоляцией, таких как КТМС, обеспечивают высокую устойчивость к агрессивным средам, высоким температурам и механическим воздействиям, что особенно важно при эксплуатации в экстремальных условиях.
Кабельный завод СЕНТЕК, г. Екатеринбург
Термопары – это широко используемые устройства для измерения температуры в различных промышленных и научных сферах. Высокая точность, надежность и простота эксплуатации делают их незаменимыми в металлургии, энергетике, нефтегазовой промышленности, а также в научных исследованиях. Основой работы термопары является термоэлектрический эффект – возникновение электрического напряжения при наличии разности температур между двумя разнородными проводниками.
Разнородные проводники, из которых состоит термопара, соединены на одном конце рабочим (горячим) спаем. При разнице температур между рабочим и холодным спаями возникает электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная разности температур. Классическое производство термопар включает использование термоэлектродных материалов, таких как хромель, алюмель, копель, нихросил, нисил и др. Материалы электродов определяют диапазон измерений, устойчивость к окислению, коррозии и агрессивным средам. Например, сплавы хромель-алюмель (K) устойчивы к окислению и применяются при температурах до +1100 °C, а сплавы нихросил-нисил (N) работают в диапазоне от –40 до +1250 °C, заменяя дорогостоящие термопары из драгоценных металлов.
Традиционно термопары изготавливались из проволоки, изолируемой керамическими материалами (бусами). Однако с развитием промышленности возникла необходимость в более надежных, долговечных и удобных в монтаже решениях. Одним из таких решений стало использование термопарных кабелей с минеральной изоляцией, в частности, кабелей КТМС (рис. 1).
Рис. 1. Кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке (КТМС)
Термопары на основе кабеля с минеральной изоляцией в стальной оболочке (КТМС) представляют собой современное решение для измерения температуры в агрессивных и высокотемпературных средах. Их конструкция обеспечивает повышенную стабильность, долговечность и гибкость монтажа по сравнению с традиционными проволочными термопарами. КТМС состоит из гибкой металлической трубки, которая обычно изготовлена из жаростойкой нержавеющей стали (321, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, ХН78Т, ХН45Ю, AISI 310, AISI 316, никробель, Инколой 825, Инконель 600, 601 и др.). Внутри трубки размещены термоэлектроды – две или четыре однопроволочные жилы, проложенные параллельно. Материалом изготовления жил может служить хромель и алюмель (тип ХА), хромель и копель (тип ХК), нихросил и нисил (тип НН), железо и константан (тип ЖК), медь и константан (тип МКн). Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполнено плотной дисперсной минеральной изоляцией – оксидом магния (периклазом). Такая структура предотвращает контакт термоэлектродов с агрессивными средами и обеспечивает высокую теплопроводность, что снижает тепловую инерцию датчика.
Оболочку кабелей КТМС изготавливают из различных марок стали, что позволяет адаптировать кабель под конкретные условия эксплуатации. Перечислим основные марки стали, используемые для оболочек.
AISI 321 (российские аналоги 12Х18Н10Т или 08Х18Н10Т отличаются друг от друга процентным содержанием хрома) – коррозионно-стойкая, жаростойкая, жаропрочная сталь. Неустойчива в серосодержащих и кислотных средах. Рекомендуемая максимальная температура применения в течение длительного времени (более 1000 ч) – 800 °C.
AISI 310 (20Х23Н18) – сталь тугоплавкая аустенитная жаростойкая. В окисляющей среде обычно можно применять до температуры 1100 °C, в восстанавливающей среде – до 1000 °C, но в любом случае – в атмосфере, содержащей менее 2 г серы на 1 м3.
AISI 310S (10Х23Н18) является низкоуглеродистой версией AISI 310 и используется в условиях, где возможна коррозия высокотемпературными газами или конденсатами.
AISI 316 (08Х17Н13М2) – аустенитная конструкционная нержавеющая сталь. И AISI 316, и ее варианты 316L (03Х17Н13М2) и 316Ti (08Х17Н13М2Т) пользуются спросом во многих производственных сферах. Благодаря присутствию в составе никеля и молибдена они отличаются очень высокой стойкостью к коррозионным воздействиям. Их можно применять в условиях агрессивных сред, низких температур. Нержавеющая сталь AISI 316 характеризуется особой стойкостью при взаимодействии с серной кислотой и ее солями. В случае повышенных требований к технологичности лучше выбрать нержавеющую сталь марки 316Ti, усиленную титаном.
ХН78Т (КТМСп) – жаропрочный сплав на никелевой основе, предназначенный для эксплуатации в экстремальных температурных условиях. Относится к классу высоколегированных никелевых сталей. Рекомендуемая максимальная температура его применения – 1000 °C в течение 10 000 ч. Сплав неустойчив в серосодержащих средах.
10XH45Ю (ЭП747) (КТМСэп) – это железоникелевый высоколегированный сплав с добавками хрома и алюминия, относящийся к классу жаростойких и жаропрочных сталей. Выдерживает длительные нагрузки при температурах до 1250–1300 °C (при малых механических напряжениях).
Никробель/Nicrobell (КТМСн) – жаростойкий сплав на никелевой основе, разработанный для применения в высокотемпературных измерительных системах, прежде всего – в термопарах, сохраняет работоспособность при температурах до 1200–1300 °C (в зависимости от конкретной марки и условий эксплуатации).
Инконель/Inconel – это торговая марка никелевых сплавов, известных своей высокой стойкостью к коррозии и термической стабильностью. В частности, сплавы Inconel 600 и Inconel 601 широко применяются в различных промышленных областях, таких как химическая промышленность, энергетика и аэрокосмическая индустрия. Вот некоторые из распространенных сплавов Inconel, используемых для изготовления кабелей КТМС.
Inconel 600 (КТМСин) – никелево-хромовый сплав, широко используемый в условиях высокой температуры и коррозионных воздействий. Этот сплав обладает отличной устойчивостью к окислению, высоким температурам (до 1093 °C) и коррозии в агрессивных средах, однако не обладает высокой стойкостью к окислению при температурах выше 1000 °C, в отличие от Inconel 601.
Inconel 601 (КТМС601) – никелево-хромовый сплав, обладающий высокой термостойкостью и коррозионной стойкостью. Он содержит примерно 58–62 % никеля, около 21–25 % хрома и небольшие добавки алюминия и титана, что обеспечивает его отличную устойчивость к окислению при высоких температурах (до 1100 °C и выше).
Инколой 825 (КТМС825) – высоколегированная нержавеющая сталь, которая содержит хром, никель, медь, молибден и титан. Она обладает отличной коррозионной стойкостью, особенно в агрессивных средах, таких как кислотные растворы, морская вода и химические среды. Используется в химической, нефтяной, газовой промышленности, а также в оборудовании для обработки воды и в морской технике. Эта сталь сохраняет прочность при высоких температурах и отличается хорошей пластичностью.
Выбор конкретной марки стали зависит от условий эксплуатации: температуры, давления, агрессивности среды и требований к механической прочности. Критически важные моменты при выборе стали для КТМС:
- температурный диапазон – сталь должна выдерживать максимальную рабочую температуру без деформации и потери свойств. Превышение максимальной рабочей температуры для выбранной марки стали приведет к быстрому окислению, потере прочности и выходу из строя;
- коррозионная стойкость – материал должен сопротивляться окислению, воздействию агрессивных сред (кислот, хлоридов, серосодержащих соединений);
- механическая прочность и износостойкость – сталь должна выдерживать механические нагрузки, вибрацию и ударные воздействия.
Выбор марки стали для кабелей КТМС – это не просто поиск «прочного кожуха», а инженерный расчет, основанный на температуре, химическом составе среды и требуемом сроке службы. Работоспособность и точность измерений термоэлектрических термометров зависят в основном от качества изготовления рабочего спая и герметизации оболочки.
По конструкции термопары из кабеля КТМС подразделяются на два типа:
- с рабочим спаем, изолированным от оболочки;
- с рабочим спаем, заземленным на оболочку.
Рабочий спай у вышеуказанных типов термопар можно изготовить с помощью пайки или сварки. Однако отечественный и зарубежный опыт показывает, что наиболее надежный рабочий спай можно получить только путем расплавления и сварки концов термоэлектродов, так как паяные термопары имеют ряд недостатков: припои, используемые для пайки, обладают более низкой коррозионной стойкостью, чем материал оболочки, ограничивают максимальную рабочую температуру термопары; наконечник увеличивает диаметр конца термопары; после пайки требуется удалить остатки флюса с конца термопары. Герметизацию оболочки термопары тоже целесообразно производить сваркой.
Процесс изготовления термопары из кабеля КТМС с рабочим спаем, изолированным от оболочки, включает несколько последовательных этапов (рис. 2):
- отрезка кабеля – выбирается длина кабеля в зависимости от условий монтажа;
- закрепление заготовки в вертикальном положении и высверливание сердечника на глубину, равную половине диаметра кабеля;
- подготовка термоэлектродов под сварку – бормашиной с медицинскими борами удаляют изоляцию вокруг термоэлектродных жил и зачищают их до металлического блеска;
- сближение термоэлектродных жил до соприкосновения друг с другом и их сварка;
- удаление с поверхности изоляции вокруг жил следов загрязнения металлов посредством обдувки воздухом;
- засыпка рабочего спая слоем предварительно прокаленного периклаза (магнезиальной изоляции) и его уплотнение с помощью пуансона;
- установка пробки из соответствующей стали, заварка и герметизация;
- после этого выполняется финальная обработка:
-- полировка сваренного конца для обеспечения гладкости и точности измерений;
-- правка и проверка – кабель подвергается механической проверке на целостность и соответствие техническим требованиям.
Рис. 2. Последовательность подготовки и сварки рабочих концов термопар диаметром 1–6 мм с рабочим спаем, изолированным от оболочки: а – обрезка заготовки; б – удаление изоляции и термоэлектродов; в – подготовка термоэлектродов под сварку; г – сварка термоэлектродов; д – уплотнение изоляции над термоэлектродами и установка пробки; е – сварка оболочки (1 – горелка; 2 – электрод; 3 – медные губки; 4 – герметик)
Технология сварки термопар с заземленным на оболочку спаем предусматривает одновременную сварку термоэлектродов с оболочкой и герметизацию оболочки (рис. 3). При сварке термоэлектродов термопар диаметром до 3 мм это осуществляется за счет оплавления термоэлектродов. При сварке термопар диаметром более 3 мм металла термоэлектродов недостаточно для герметизации оболочки, поэтому применяются пробки с отверстием под термоэлектроды. На рисунке приведена последовательность подготовки и сварки рабочих концов термопар с рабочим спаем, приваренным к оболочке.
Рис. 3. Последовательность подготовки и сварки рабочих спаев термопар диаметром 3–6 мм с рабочим спаем, заземленным на оболочку: а – обрезка заготовки; б – освобождение термоэлектродов; в – удаление изоляции, скручивание термоэлектродов и установка пробки; г – оплавление термоэлектродов; д – сварка (1 – горелка; 2 – электрод; 3 – медные губки; 4 – герметик)
Эти этапы позволяют получить готовую термопару, которая обладает высокой точностью, стабильностью и долговечностью.
Использования кабелей КТМС для производства термопар обеспечивает:
- высокую долговечность и устойчивость к коррозии и окислению;
- гибкость монтажа благодаря возможности изгиба кабеля;
- малое тепловое инерционное время, что позволяет быстро реагировать на изменения температуры;
- высокую точность и стабильность измерений;
- устойчивость к высоким давлениям и экстремальным температурам;
- простоту установки – достаточно разделать кабель, создать спай и заварить его, что позволяет даже одному человеку выполнить монтаж.
Термопары на основе кабелей КТМС применяются в различных отраслях промышленности: в металлургии и стекловарении (контроль температуры в печах, ковшах, печных камерах), энергетике (измерение температуры в паровых котлах, турбинах, доменных печах), нефтегазовой отрасли (контроль температуры в скважинах, трубопроводах, нефтеперерабатывающих установках), пищевой промышленности (контроль процессов обжарки, пастеризации, стерилизации), при обжиге кирпича и керамики (мониторинг температуры в печах), для измерения температуры дымовых газов и высокоскоростных газовых потоков (в научных исследованиях и испытаниях).
Ведущие мировые производители, такие как ABB, Ari, JUMO, Pyrotenax, Siemens, Thermocoax, TRM, Omega Engineering, Pyromation, Watlow, KME, Eurotherm, Sungil, производят основной объем термоэлектрических термопреобразователей из термопарного кабеля с минеральной изоляцией в стальной оболочке КТМС. Применение КТМС для изготовления термопар становится все более популярным благодаря его уникальным характеристикам и свойствам. Современные материалы и технологии позволяют создавать кабели, способные работать в условиях высоких температур, агрессивных сред и больших механических нагрузок. Изготовление термопар из кабелей с минеральной изоляцией КТМС представляет собой современный технологический подход, позволяющий оптимизировать производственный процесс и обеспечить стабильные параметры изделий.
Опубликовано в журнале «ИСУП» № 6(120)_2025
Е. Ф. Пронькина,
Кабельный завод СЕНТЕК, г. Екатеринбург,
тел.: +7 (343) 361-1553,
e-mail: info@sentek.ru
Иллюстрации предоставлены Кабельным заводом СЕНТЕК
_big.jpg'); "2(116)_small.jpg")
