В настоящее время рост новых технологий и автоматизация процессов занимают одну из главных ролей в развитии различных отраслей промышленности. При постоянном контроле важных производственных процессов одной из главных составляющих является измерение температуры. Мониторинг температуры имеет существенное значение для гарантии безопасности и контроля качества различных производственных процессов.
На сегодняшний день, для многих промышленных предприятий, так же остро стоит вопрос по импортозамещению оборудования зарубежных производителей. Такая проблема, как поддержание работоспособности импортного оборудования, приобретённого ранее предприятиями в различных отраслях промышленности, становится всё актуальнее.
АО «НПП «Эталон», г. Омск, занимается разработкой и производством метрологического оборудования и средств измерений температуры, а так же обеспечивает импортозамещающей продукцией [1] многие предприятия, работающие в различных отраслях промышленности.
В данной статье мы расскажем, как специалисты АО «НПП «Эталон» разработали не только типовую продукцию для замещения импортного аналога, но и датчик с улучшенными параметрами для предотвращения возникших производственных проблем заказчика.
Постановка задачи
В апреле 2021 года на почту предприятия поступил запрос от АО «Метафракс Кемиакалс», одного из крупнейших российских производителей метанола и его производных, с просьбой рассмотреть возможность изготовления аналога зарубежного датчика температуры.
Создание новой разработки – долгий и трудоемкий проект, ключом к успеху которого является полное понимание задач заказчика с учетом его положительного или отрицательного опыта при работе со схожим оборудованием.
Преобразователь термоэлектрический [2, 3] планировалось устанавливаться в реактор, (см. Рисунок1) используемый для получения метанола способом частичного окисления метана. В ходе данного процесса требовалось контролировать температуру внутри реактора. Для этого в устройстве реактора предусмотрено несколько закладных конструкций для установки датчиков температуры.
Главными требованиями к новому изделию стали: высокая надежность и точность измерения температур, широкий диапазон измеряемых температур, герметичность изделия.
Важным пунктом данного проекта являлось обеспечение герметичности в условиях повышенного давления и устойчивость датчиков к условиям работы в агрессивной среде.
Производство аналога зарубежного датчика температуры для компании АО «Метафракс Кемиакалс» сводилось к следующим требованиям:
1. Основные характеристики.
• Рабочая температура: 0 … +1450 ℃,
• Давление: 34 кг/см2
• НСХ: ТПП 10(S)
2. Материал защитной арматуры.
• Материалы должны быть стойкими к высоким температурам и агрессивным средам (агрессивные газы).
3. Состав измеряемой среды.
• Метан:0,1-0,3% об.
• CO: 28-34% об.
• CO2: 1,7-3% об.
• Водород: 54-65% об.
• Аргон: около 0,12% об.
4. Срок эксплуатации.
• Срок эксплуатации разрабатываемого изделия должен быть не менее 1 года.
Фактический срок службы датчиков зарубежного производства составляет, в среднем, не более 1 года. Как оказалось, некоторые датчики выходили из строя в течение первых 3 месяцев, с начала эксплуатации. При этом, фирма-производитель отказывалась выполнять гарантийный ремонт датчиков.
5. Цена.
• Цена разрабатываемого преобразователя термоэлектрического должна быть ниже цены зарубежного изделия.
В процессе совместной работы, представители АО «Метафракс Кемикалс» посетили АО «НПП «Эталон» для обсуждения технических вопросов, а так же для анализа выхода из строя датчиков зарубежного производителя.
Вскоре было составлено и подписано техническое задание, согласованы сроки разработки и испытания образцов.
Новому, разрабатываемому датчику температуры было присвоено название ТПП 2101.
Разработка.
Возникновение трудностей на первом этапе работы над проектом.
В ходе разработки преобразователя термоэлектрического, специалисты АО «НПП «Эталон» столкнулись с серьезной проблемой: отсутствием необходимой герметизации внутреннего термоэлемента от внешней агрессивной среды. Одним из основных компонентов измеряемой агрессивной среды является водород. Взаимодействие водорода с платиновой проволокой не допускается из-за потери оной свойств, и последующим разрушением [4]. Для предотвращения взаимодействия водорода и платины конструкцией предусмотрен дополнительный внутренний защитный чехол, материал которого обладает повышенной устойчивостью к проникающему воздействию водорода благодаря низкой пористости, а также высокой эксплуатационной температурой. В конструкции изделия присутствует переход от керамического чехла к стальной трубе, в следствие чего, стандартные методы либо не применимы, либо не дают необходимой прочности и устойчивости к высокому давлению. Керамика [5] достаточно хрупка, и при большом усилии, может треснуть или получить внутренний дефект, который скажется на сроке эксплуатации изделия.
На первом этапе разработки для решения данной проблемы предприятием АО «НПП «Эталон» было подготовлено два опытных образца ТПП 2101 для проведения испытаний на объекте АО «Метафракс Кемикалс». Главным отличием образцов между собой стала различная конструкция уплотнителей, обеспечивающих герметичность стыка керамики и трубы.
Рассмотрим подробный порядок испытания опытных образцов:
1. Испытание на герметичность давлением 40 кгс/см2
2. Нагрев до температуры 1000 °С
3. Выдержка 3 часа при температуре 1000 °С
4. Охлаждение
5. Повторное испытание на герметичность давлением 40 кгс/см2
6. Разрез датчика температуры с целью дальнейшей проверки изделия на герметичность
7. Испытание на герметичность давлением 40 кгс/см2
В ходе испытаний, после нагрева до 1000 °С один из образцов оказался не герметичен. Спустя неделю от начала эксплуатации термопара вышла из строя (рисунок 2, рисунок 3). Вторая термопара исправно работала около двух месяцев, после чего произошел однократный сбой в работе, при котором показания термопары кратковременно вышли за максимальные значения.
Для предотвращения в будущем подобных неполадок, на основании информации, полученной после изучения отказавшего ТПП 2101, в конструкцию датчика были внесены изменения с целью улучшения герметизации и надежности изделия.
Решение проблемы. Второй этап работы над проектом.
Решение рассмотренной проблемы состояло в создании уплотнительных колец из мягкого металла и подгонки деталей под размеры друг друга. Это позволило обеспечить минимальные зазоры в месте соединения деталей, вследствие чего, при сборке, кольца расплющивались и герметизировали стык, не оказывая чрезмерного давления на керамику.
К июню 2023 года были успешно пройдены все испытания, получены сертификаты на вид взрывозащиты и данная модель внесена в государственный реестр средств измерений.
Преобразователи термоэлектрические ТПП 2101, разработанные и сертифицированные АО «НПП «Эталон», как аналог зарубежного датчика температуры, были заказаны компанией АО «Метафракс Кемикалс» и установлены на объект в августе 2023. Сообщений о неполадках или ошибках датчиков на предприятие не поступало.
Результат проекта
Разработан и запущен в производство импортозамещающий, взрывозащищенный преобразователь термоэлектрический ТПП 2101, который применяется для измерения температуры в газовых реакторах, содержащих водород, угарный газ, углекислый газ, азот, метан и пр. в диапазоне температур от 0 до 1450 °С.
ТПП 2101 (рис. 4) имеет маркировку взрывозащиты «0Ех ia IIC T5 Ga X» [6] и предназначен для применения в соответствии с ГОСТ 31610.0-2019, ГОСТ 31610.26-2016, руководством по эксплуатации МКСН.405124.009 РЭ во взрывоопасных зонах помещений и наружных установах, в которых возможно образование взрывоопасных сред категорий IIA, IIB, IIC.
Преобразователь термоэлектрический ТПП 2101 по уровню взрывозащиты относится к особовзрывобезопасному оборудованию (Ga).
Средняя наработка до отказа:
- при температуре верхнего предела рабочего диапазона температур - 100 ч.
- при температуре применения не выше номинального значения - 8000 ч.
Важным преимуществом стала более низкая стоимость ТПП 2101, чем его зарубежного аналога. Цена отечественного датчика в 1,5 раза ниже, кроме этого стоит отметить, что ТПП 2101 в характеристиках не уступает зарубежному датчику, а по функциональным возможностям даже превосходит иностранное изделие.
Более высокая надежность термоэлемента по сравнению с зарубежным датчиком, обеспечивается благодаря дополнительному керамическому защитному чехлу.
Список используемой литературы:
1. Выбор датчиков температуры: учебное пособие / сост.: Г.Б. Минигалиев, В.В. Елизаров - Нижнекамск: Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 2014. - 48 с.
2. Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство / Никонов Н.В. – М.: ООО «МТК «МЕТОТЕХНИКА», 2015. – 62 с.: 4 ил., 31 табл.
3. ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия.
4. Теоретическое исследование процесса взаимодействия водорода с поверхностью платины. А.А. Кузубова, П.В. Аврамовб, Т.А. Кожевниковаa, Ю.Е. Ананьеваa, Н.С. Елисееваa, Д.С. Калякинa Сибирский федеральный университет, Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН. 2010 г.
5. Исследование микроструктуры керамики различных производителей, используемой для защиты термопар из драгоценных металлов/ Плясункова Л.А. ФГУП «ОНПП «Технология», Улановский А.А., ООО «ОТК», Шкарупа И.Л., ФГУП «ОНПП «Технология».
6. Статья 23. Классификация взрывозащищенного электрооборудования. Федеральныйзакон от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" (с изменениями и дополнениями).