CN109781286A

CN109781286A - 高温高压环境的温度检测装置及该装置的制备方法

Info

Publication number: CN109781286A
Application number: CN201811593810.7A
Authority: CN
Inventors: 冯邻江; 张立新; 赵彦; 王�华; 张祖力; 鞠华; 陈洁; 罗松
Original assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开了一种高温高压环境的温度检测装置，所述温度检测装置的检测环境为：温度不大于800℃，压力不大于30MPa；所述温度检测装置包括温度传感器以及套管，所述套管包括套管本体以及设置于套管本体外周面上且密封容器开口的结合部；套管本体包括：远离被测高温高压环境的第一端以及伸入到被测高温高压环境的第二端；所述温度传感器伸入到高温高压环境中的探测端暴露在套管本体的外部，温度传感器的补偿端穿过套管本体后暴露在套管本体的外部；温度传感器位于套管本体内部的部分与套管本体之间填充有密封温度传感器与套管本体之间间隙的填充层。本发明提高了温度检测装置的响应速率及强度。

Description

高温高压环境的温度检测装置及该装置的制备方法

技术领域

本发明涉及温度监测领域，特别涉及一种高温高压环境温度检测的密封方法及装置。

背景技术

在现代工业生产中，温度测量几乎遍及生产过程中的各个环节，测量高温、高压环境的温度也被广泛应用。如核电站压力容器的温度测量，环境最高温度350℃，压力18MPa，但是大部分是非接触式的温度测量，即压力容器内焊有承压测量导管，然后将温度传感器插入导管内测量压力容器内的温度。此种测量方法温度传感器不需要承压，也不要求密封，但是，由于承压测量导管一般采用细长的厚壁管，因此，严重影响热电偶的反应时间，响应迟滞非常严重。

对于要求精确测量，高温、高压、高流速流体的温度时，上述测量方法已经不适用，需采用直接测量的方式。而直接测量必须面临温度传感器与压力容器外壳的密封问题，如采用常用的金属铠装热电偶，其金属外壳非常薄，对于一些精确测量高速流体温度时，为了提高响应时间，常采用小尺寸(外径一般为1.5mm~3.0mm)铠装热电偶，其外壳只有0.3mm左右。在这种应用工况，目前，一般采用对传感器外壳直接机械密封的方式，如图1所示，将温度传感器11的一端穿过密封卡箍X，温度传感器11的另一端穿过压盖D，压力容器A的连接部B上设有开口C，密封卡箍X一端置于压力容器A上的开口C内对开口C形成密封，将压盖D与连接部B连接，通过压盖D的挤压作用力，使密封卡箍X向内侧收缩将温度传感器11的外壳卡紧，此过程中温度传感器11的外壳也发生变形，从而在密封卡箍X与温度传感器11的结合处形成密封。

上述的安装结构虽然在密封卡箍X与温度传感器11的结合处形成了密封，但由于密封结构是密封卡箍X对温度传感器11挤压形成的，因此对温度传感器11的外壳有一定的损伤，对于外径很小的温度传感器11(如外径只有1.0~2.0)，温度传感器11的金属外壳很薄（壁厚约0.1~0.3mm），在温度压力较低(温度低于400℃，压力小于18MPa)时具有可行性，但是在高温高压(温度达到800℃，压力达到30MPa)时已不能使用。另外，在高流速环境条件下此种密封方式更加不可靠，例如，在压力容器A内的流体（流体为油）温度高达800℃的情况下金属材料的强度急剧下降，如果对温度传感器1采用上述直接机械密封的方式，密封面由于高速流体的冲刷产生应力集中极易折断，发生严重的泄漏事故。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压环境的温度检测装置及该装置的制备方法，本发明提高了温度检测装置的响应速率及强度。

实现上述目的的技术方案如下：

高温高压环境的温度检测装置，所述温度检测装置的检测环境：温度不大于800℃，压力不大于30MPa；所述温度检测装置包括温度传感器以及套管，其特征在于，所述套管包括套管本体以及设置于套管本体外周面上且密封容器开口的结合部；

套管本体包括：远离被测高温高压环境的第一端以及伸入到被测高温高压环境的第二端；

所述温度传感器伸入到高温高压环境中的探测端暴露在套管本体的外部，温度传感器的补偿端穿过套管本体后暴露在套管本体的外部；

温度传感器位于套管本体内部的部分与套管本体之间填充有密封温度传感器与套管本体之间间隙的填充层。

温度检测装置的制备方法，包括以下步骤：

（1）、温度传感器伸入到高温高压环境中的探测端暴露在套管本体的外部，温度传感器的补偿端穿过套管本体后暴露在套管本体的外部后，温度传感器与套管本体形成间隙配合；

（2）、将填充材料置入到套管本体的第一端的储料腔中后，将配合有温度传感器的套管本体置于加热工位并固定；

（3）、储料腔内的填充材料经加热熔化并扩散到温度传感器与套管本体之间的间隙中，经冷却形成密封温度传感器与套管本体之间间隙的填充层。

本发明的优点为：温度传感器的探测端暴露在套管本体外部，可直接与被测介质接触监测被测介质的温度，且采用外径为和外壳壁厚均较小的温度传感器，在高温高压环境中使用本发明的检测装置可提高检测的响应速率。由于温度传感器通过填充层与套管本体结合成一体，并且温度传感器的探测端暴露在套管本体外部，因此，流体介质对温度传感器探测端的冲刷作用力几乎全部转移到了套管本体上，温度传感器的强度由套管本体来保证，而且，在装配过程中不会使温度传感器发生变形，也不会在温度传感器上形成压痕，这样就避免了温度传感器因流体介质的冲刷而造成折断的问题。所以本发明的检测装置既提高了检测的响应速率，同时又保证了温度传感器不会受到损害。

附图说明

图1为现有技术中温度传感器与卡箍以及压力容器的安装示意图；

图2为本发明的温度检测装置示意图；

图3为图2中的套管的示意图；

图4为本发明的温度检测装置与容器的装配示意图；

说明书附图中的标记：

A为容器，B为连接部，C为开口，D为压盖，X为密封卡箍；

10为温度检测装置，11为温度传感器，11a为探测端，11b为补偿端，12为套管本体，12a为第一端，12b为第二端，12c为储料腔，13为结合部，14为填充层。

具体实施方式

如图2至图4所示，本发明的高温高压环境的温度检测装置10，容器A的内部装载液体介质，对于温度可以达到800℃的液体介质而言，该液体介质为优先采用油，高温的油在容器A内流动，为了控制油的流速，需对油进行加压，高温且具有压力的油使得容器A的内部形成了很高的压力，因此，对于这种环境温度检测的检测装置10来说，与现有技术在400℃以内的检测环境相比，由于检测环境发生了根本上的变化，致使对温度检测装置10的性能（例如响应速度、承受流动介质的冲击力）提高。因此，本发明的温度检测装置10适用的检测环境：最高温度可达到800℃，最大压力达到30MPa。本发明的温度检测装置10的具体结构如下：

如图2至图4所示，所述温度检测装置10包括温度传感器11以及套管，所述套管包括套管本体12以及设置于套管本体12外周面上且密封容器A开口C的结合部13。套管本体12包括：远离被测高温高压环境的第一端12a、伸入到被测高温高压环境内的第二端12b，由于第二端12b伸入到被测高温高压环境内，因此，第二端需承受在高温高压环境内流动介质冲刷作用力。

在容器A上设有连接部B，结合部13的形状与开口C的形状适配，例如，开口C的形状为锥形，那么结合部13的形状也为锥形，通过结合部13插入到开口C内对开口C形成密封，使得容器A内的压力不会泄漏，保证容器A工作的安全性。

为了使结合部13能可靠地与开口C形成配合，通过压盖D与连接部B连接，压盖D的一端对结合部13的轴向端面产生的作用力，使得结合部13能够可靠地与开口C结合，压盖D与连接部B优先采用螺纹方式连接，螺纹连接方式具有自锁作用，防止压盖D与连接部B连接失效。

因容器A内部波动气压产生波动的冲击力波动的作用力通过结合部13传递给压盖D，可能造成压盖D松动，因此，可以在连接部B上连接一止退螺母（图中未示出），该止退螺母与连接部B连接后与压盖D的另一端形成抵顶，从而止退螺母可避免压盖D在波动气压的作用力失去对结合部13的压紧作用。

所述温度传感器11伸入到高温高压环境中的探测端11a暴露在套管本体12的外部，温度传感器11的补偿端11b穿过套管本体12后暴露在套管本体12的外部。所述温度传感器11的探测端11a与套管本体12第二端12b端面之间的间距为1~5mm，该间距优先采用1~2mm。所述温度传感器11为铠装热电偶温度传感器，该铠装热电偶温度传感器的外壳为耐高温合金材料。温度传感器的外径为1.5~2mm，温度传感器外壳的厚度为0.28~0.32mm。

温度传感器11位于套管本体12内部的部分与套管本体12之间填充有密封温度传感器与套管本体12之间间隙的填充层14。如图3所示，所述套管本体12的第一端12a设有储料腔12c，所述填充层14由放置于储料腔内的填充材料经加热熔化并扩散到温度传感器与套管本体之间的间隙中后冷却形成。所述填充材料由镍基高温钎料和钎焊凝胶粘合剂组成。

实施例一：

温度检测装置10的制备方法，通过以下过程制备而成：

温度传感器11选择外径为1.98~2.00mm的铠装热电偶温度传感器，温度传感器11的外壳材料为高温合金材料Incoloy800H(UNS N08810)。套管采用高温合金材料Incoloy 800H(UNS N08810)经机加工而成，套管本体12的内孔直径为2.00~ 2.02mm。

温度传感器11在穿过套管本体12前，先采用溶液对温度传感器进行漂洗，再采用清洗剂清洗并烘干。对温度传感器11的漂洗过程为：先采用10%HCl溶液漂洗3min，再采用15%NaOH溶液漂洗20min。通过漂洗，去除温度传感器11表面的除化层和油膜，以便于后面将温度传感器11与套管本体12进行真空钎焊。采用无水乙醇作为清洗剂对漂洗后的温度传感器11进行清洗，通过清洗剂清洗，保证温度传感器11表面干净。

温度传感器11伸入到高温高压环境中的探测端11a暴露在套管本体12的外部，探测端11a与套管本体12第二端12b端面之间的间距为2mm。温度传感器11的补偿端11b穿过套管本体12后暴露在套管本体12的外部后，温度传感器22与套管本体12形成间隙配合，温度传感器11与套管本体12之间的间隙为0.02mm~0.08mm，然后采用夹具固定。在本实施例中，套管本体12的内孔直径优先选择为2.00mm，优先采用外径为1.95mm的温度传感器11，这样，温度传感器11与套管本体12之间的间隙为0.05mm。

称取镍基高温钎料BNi2，20g，放入玻璃杯中，再称取钎焊凝胶粘合剂2g和镍基高温钎料混合成均匀的膏状从而形成填充材料。

将填充材料置入到套管本体12的第一端12a的储料腔12c中后，将配合有温度传感器11的套管本体12置于加热工位并固定。

储料腔12c内的填充材料经加热熔化并扩散到温度传感器11与套管本体12之间的间隙中，经冷却形成密封温度传感器11与套管本体12之间间隙的填充层14，具体过程为：温度传感器11与套管本体12组装而成的钎焊装配件置于真空钎焊炉中，然后将真空钎焊炉抽真空至1.0×10^-4Pa，在将真空钎焊炉升温至850℃，保温20min，最后将真空钎焊炉升温至1070℃，保温3min，然后随炉冷却至室温，这样，在温度传感器11位于套管本体12内部的部分与套管本体12之间形成密封温度传感器与套管本体12之间间隙的填充层14，从而获得温度检测装置10。

实验过程：

将温度检测装置10与容器A进行装配：将套管本体12插入容器A上的开口C中，并使套管本体12的第二端12b以及温度传感器11的探测端11a位于被测的高温高压环境中，然后将压盖D与连接部B螺纹连接，使结合部13对开口C形成密封。

将压力容器A内的被测环境温度升到800℃，然后加压到30MPa，保温保压30min，无泄漏现象。说明结合部13与开口C的结合形成的非常好的密封作用，填充层14对温度传感器11与套管本体12形成的非常好的密封作用。

实施例二：

温度检测装置10的制备方法，通过以下过程制备而成：

温度传感器11在穿过套管本体12前，先采用溶液对温度传感器进行漂洗，再采用清洗剂清洗并烘干。对温度传感器漂洗过程为：先采用15%HCl溶液漂洗5min，再采用15%NaOH溶液漂洗20min。采用无水乙醇作为清洗剂对漂洗后的温度传感器11进行清洗。

温度传感器11采用铠装热电偶温度传感器，温度传感器11的外壳材料为高温合金材料Incoloy800H(UNS N08810)。套管采用高温合金材料Incoloy 800H (UNS N08810)经机加工而成，套管本体12的内孔直径为1.5~ 1.52mm。

温度传感器11伸入到高温高压环境中的探测端11a暴露在套管本体12的外部，探测端11a与套管本体12第二端12b端面之间的间距为1mm，温度传感器11的补偿端11b穿过套管本体12后暴露在套管本体12的外部后，温度传感器22与套管本体12形成间隙配合，然后用夹具固定，温度传感器11与套管本体12之间的间隙为0.02mm~0.08mm。在本实施例中，套管本体12的内孔直径优先采用1.52mm，优先采用外径为1.5mm的温度传感器11，温度传感器11与套管本体12之间的间隙为0.02mm。

称取镍基高温钎料BNi2，10g，放入玻璃杯中，再称取钎焊凝胶粘合剂1g和镍基高温钎料混合成均匀的膏状从而形成填充材料。

配合有温度传感器的套管本体将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，然后将真空钎焊炉抽真空至3.0×10^-4Pa，将真空钎焊炉升温至700℃，保温25min，最后将真空钎焊炉升温至1040℃，保温5min，然后随炉冷却至室温，这样，在温度传感器11位于套管本体12内部的部分与套管本体12之间形成密封温度传感器与套管本体12之间间隙的填充层14，从而获得温度检测装置10。

实验过程：

将温度检测装置10与容器A进行装配：将套管本体12插入容器A上的开口C中，并使套管本体12的第二端12b以及温度传感器11的探测端11a位于被测的高温高压环境中，，然后将压盖D与连接部B螺纹连接，使结合部13对开口C形成密封。

将压力容器A内的被测环境温度升到800℃，然后加压到30MPa，保温保压30min，无泄漏现象，说明结合部13与开口C的结合形成的非常好的密封作用，填充层14对温度传感器11与套管本体12形成的非常好的密封作用。

技术效果对比：

现有的温度检测装置如果要测量高温高压，不但要采用较粗的温度传感器（温度传感器的金属外壳就很厚至少在1mm以上），而且还要装在一个外保护管里，让外保护套管与被测介质直接接触，这种是非常常用的方法，这种结构可以将保护套管与连接部B采用氩弧焊焊接。由于温度传感器壁厚尺寸大导致传感器响应时间很慢，再加上套上外保护管后，响应时间就更长了，而在一些对温度传感器的响应时间要求较高的工况，上述方法均不能满足要求，但由于用户会要求温度传感器直接与介质接触，以提高温度传感器的响应速率。温度传感器外径越小，响应就越快，但传感器的强度就越低，这是一对矛盾，显然现有技术中的温度检测装置无法平衡这对矛盾。

在本发明中，由于温度传感器11的探测端11a只是顶端的一个点，温度传感器11的探测端11a暴露在套管本体12外部的长度为1~5mm，用于直接与被测介质接触监测被测介质的温度，且采用外径为1.5~2mm的温度传感器11，温度传感器11外壳的厚度为0.28~0.32mm，温度传感器11外壳的厚度优先采用0.3mm，因此，在这种高温高压环境中使用本发明的检测装置可提高检测的响应速率。

由于温度传感器11通过填充层14与套管本体12结合成一体，并且温度传感器11的探测端11a暴露在套管本体12外部的长度优先采用2mm，因此，流体介质对温度传感器11探测端11a的冲刷作用力几乎全部转移到了套管本体12上，温度传感器11的强度由套管本体12来保证，而且，在装配过程中不会使温度传感器11发生变形，也不会在温度传感器11上形成压痕，这样就避免了温度传感器11因流体介质的冲刷而造成折断的问题。所以本发明的检测装置既提高了检测的响应速率，同时又保证了温度传感器不会受到损害。如果采用本工艺，套管本体12可以加工得较粗。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.高温高压环境的温度检测装置，所述温度检测装置的检测环境：温度不大于800℃，压力不大于30MPa；所述温度检测装置包括温度传感器以及套管，其特征在于，所述套管包括套管本体以及设置于套管本体外周面上且密封容器开口的结合部；

2.根据权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，所述套管本体的第一端设有储料腔，所述填充层由放置于储料腔内的填充材料经加热熔化并扩散到温度传感器与套管本体之间的间隙中后冷却形成。

3.根据权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，所述温度传感器的探测端与套管本体第二端端面之间的间距为1~5mm。

4.根据权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，所述温度传感器为铠装热电偶温度传感器，该铠装热电偶温度传感器的外壳为耐高温合金材料。

5.根据权利要求1至4之一所述的温度检测装置，其特征在于，温度传感器的外径为1.5~2mm。

6.一种如权利要求1所述温度检测装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述填充材料由镍基高温钎料和钎焊凝胶粘合剂组成。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，钎料与钎焊凝胶粘合剂的按质量比为8:1~10:1的比例混合至膏状。

9.根据权利要求6至8之一所述的制备方法，其特征在于，配合有温度传感器的套管本体置于真空钎焊炉中，将真空钎焊炉抽真空至5.0×10^-4~1.0×10^-4Pa，再升温至700℃~850℃，保温20min~25min，再升温至1040℃~1070℃，保温3min~5min，最后随炉冷却至室温，出炉。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，温度传感器在穿过套管本体前，先采用溶液对温度传感器进行漂洗，再采用清洗剂清洗并烘干。