В экстремальных условиях эксплуатации, таких как химические реакторы, промышленные печи, авиационные двигатели и ядерное энергетическое оборудование, температура является ключевым параметром, определяющим безопасность производства и качество продукции. Как «датчик температуры», непосредственно контактирующий с измеряемой средой, точность измерения температуры, термостойкость и стабильность термопарной проволоки напрямую определяют надежность всей системы измерения температуры. Традиционная термопарная проволока имеет значительные ограничения: обычная термопара типа K (никель-хром-никель-кремний) склонна к испарению никеля при длительном использовании при температурах выше 800°C, что приводит к дрейфу температуры со скоростью более ±5°C/1000 ч. Термопарные проволоки на основе платины и родия (например, типов S и B) обладают высокой термостойкостью (до 1600°C), однако стоят дорого и отличаются хрупкостью. Дешевые металлические термопарные проволоки легко подвергаются коррозии в агрессивных средах (например, в кислых химических парах), из-за чего срок их службы не превышает трех месяцев. В последние годы прорывы в оптимизации состава материалов, инновациях в конструктивном проектировании и технологии поверхностной модификации способствуют развитию термопарной проволоки, направляя её к достижению широкого диапазона температур, высокой стабильности, экстремальной устойчивости и низкой стоимости. I. Технологический прорыв: от «однотипной термостойкости» до «полной адаптивности к рабочим условиям»
1. Инновации в материальных системах: балансировка производительности и стоимости
Мы разрабатываем индивидуальные сплавные системы, адаптированные под различные диапазоны температур и условия эксплуатации, решая дилемму «термостойкость, стоимость и стабильность». Средне- и высокотемпературный диапазон (600–1300°C): был представлен термопарный провод типа N (сплав никель-хром-кремний-никель-кремний-магний). Благодаря добавлению кремния и магния для уточнения размера зерна и предотвращения диффузии элементов при высоких температурах, термопарный провод типа N снижает скорость температурного дрейфа до ±1,5°C/1000 ч при 1000°C в условиях длительной эксплуатации по сравнению с традиционным проводом типа K, улучшая устойчивость к окислению на 40%. При стоимости всего в 1/20 от платинородиевого провода типа S этот провод широко используется для измерения температуры в химических реакторах и керамических печах.
Диапазон высоких температур (1300–1800°C): композитный сплавный провод из платины, родия и палладия (например, PtRh20Pd5) был разработан для замены традиционного провода PtRh20Pt (типа S). Добавление палладия улучшает вязкость сплава (удлинение при разрыве увеличивается с 15% до 28%), предотвращая хрупкое разрушение при высоких температурах. Это также повышает стабильность термоэлектрического потенциала при 1600°C. Содержание палладия 30%, что делает его подходящим для измерения температуры в камерах сгорания авиационных двигателей и в высокотемпературных паропроводах атомных электростанций.
Диапазон низких температур (-200–300°C): оптимизированная чистота термопарной проволоки из меди и константана (типа T) с использованием 99,999%-ной высокочистой меди и сверхнизкоуглеродистого константана снижает флуктуации термоэлектрического потенциала при низких температурах. Точность измерения температуры достигает ±0,3°C при -196°C (температура жидкого азота). Подходит для измерения температуры в химической промышленности с низкими температурами (например, при хранении СПГ) и в сверхпроводящих устройствах.
2. Инновации в структурном проектировании: повышение устойчивости к экстремальным условиям
Это отходит от традиционных параллельных структур с одним или двумя нитями и использует специальный процесс формования, повышающий устойчивость термопарной проволоки к вибрациям и изгибам. Ультратонкий диаметр и многовитая структура: ориентируясь на микроэлектронную упаковку (например, тепловые испытания чипов) и ограниченные пространства (например, химические микроканальные реакторы), мы разработали ультратонкие термопарные провода (например, ультратонкие типов K и T) диаметром менее 20 мкм. Применяя процесс «многоступенчатой прецизионной вытяжки + отжиг в инертном газе», нам удалось повысить выходной брак с 58% до 92%. Кроме того, мы разработали «двойную витую структуру», спирально скручивая две термопарные проволоки, что позволило улучшить устойчивость к вибрациям на 50%. Для измерения температуры в цилиндрах двигателей инженерной техники эта проволока способна выдерживать высокочастотные вибрации до 1000 Гц без разрушения.

Конструкция перехода с разным диаметром: для обеспечения требований к соединению между участками высокой и нормальной температуры мы разработали термопарный провод переходного типа, имеющий «конец толстого диаметра (устойчивый к высоким температурам)» и «конец тонкого диаметра (гибкий)». Участок толстого диаметра (например, платинородиевый провод диаметром 1 мм) вставляется в участок высокой температуры, тогда как участок тонкого диаметра (например, диаметром 0,3 мм) — в участок низкой температуры. Никель-хромовый провод продолжается до распределительной коробки при комнатной температуре, что обеспечивает стабильность при высоких температурах, одновременно уменьшая общую сложность монтажа. Данная технология уже применялась для измерения температуры в глубоких отверстиях промышленных печей.
3. Технология модификации поверхности: повышенная устойчивость к коррозии и загрязнениям
Путём покрытия или пассивирующей обработки на проводе термопары создаётся «защитный барьер», что делает его пригодным для эксплуатации в агрессивных условиях, таких как химическая коррозия и высокий уровень пыли. Высокотемпературное покрытие, устойчивое к окислению: на поверхность проводов термопар типа N и S наносится композитное покрытие Al₂O₃-ZrO₂, напылённое плазменным методом (толщиной 5–10 мкм). Это покрытие снижает скорость окисления на 70% в серосодержащих дымовых газах при температуре 1200°C, продлевая срок службы с 3 месяцев до 18 месяцев. Оно применяется для измерения температуры в серных инсинераторах на заводах по производству химической серной кислоты.
Коррозионно-стойкая пассивация: химическая пассивация (например, хроматная пассивация) применяется к проводам термопар из меди-константана и никеля-хрома-меди-никеля (типа E). Скорость коррозии в 5%-ном растворе соляной кислоты снижается с 0,2 мм/год до 0,03 мм/год, что делает их пригодными для контроля температуры в резервуарах для хранения химических кислот и щелочей.
Антикоксовое покрытие: на поверхность термопарных проводов, используемых в угольных химических газификаторах, наносится модифицированное покрытие из политетрафторэтилена (ПТФЭ), чтобы предотвратить прилипание каменноугольного дёгтя, уменьшить отклонения в измерении температуры, вызванные коксованием, и продлить цикл очистки с одной недели до одного месяца. II. Внедрение: применение покрытий от «гражданской промышленности» до «высокотехнологичного оборудования»
1. Химическая промышленность: Преодоление двойных угроз — коррозии и высоких температур
В таких отраслях, как углехимическая и нефтехимическая промышленность, термопарные провода должны выдерживать как высокие температуры, так и агрессивные среды. Компания по производству олефинов из угля использует комбинацию «термопарный провод типа N + покрытие Al₂O₃» для измерения температуры в газификаторах (1200°C, содержащих H₂S и CO₂). По сравнению с традиционными проводами типа K, это увеличивает срок службы с 2 месяцев до 15 месяцев и позволяет поддерживать отклонение измеряемой температуры в пределах ±2°C, предотвращая колебания эффективности газификации, вызванные неправильной оценкой температуры. В реакторах пакетного производства для получения фармацевтических препаратов (300–500°C, содержащих органические кислоты) применяются пассивированные термопарные провода типа E для оперативного контроля температуры реакции, что обеспечивает высокую селективность синтетических реакций (например, повышает скорость превращения при синтезе эфиров на 5%). 2. Аэрокосмическая отрасль: выдерживание экстремальных перепадов температур и вибраций
Температуры в камере сгорания авиационного двигателя могут достигать до 1600°C, сопровождаясь высокочастотными вибрациями. Традиционные PtRh-провода S-типа склонны к хрупкому разрушению. Одна авиакомпания использует композитный сплавный провод PtRh20Pd5, совмещённый со скрученной структурой. В ходе испытаний двигателей этот провод способен стабильно измерять температуры до 1600°C в течение 500 часов, при этом колебания термоэлектрического потенциала не превышают ±0,5% даже в условиях вибрации, обеспечивая точные данные о температуре для оптимизации тяги двигателя. В системах термоконтроля космических аппаратов ультратонкий термопарный провод типа T (диаметром 25 мкм) применяется для мониторинга распределения температуры на солнечных панелях спутников. Его точность измерений достигает ±0,2°C, что позволяет адаптироваться к экстремальным перепадам температур от –180°C до 100°C в космосе.
3. Ядерная энергетика: Обеспечение долгосрочной стабильности и безопасности
Трубопроводы первичного контура атомной энергетики (температуры до 320°C, высоконапорная вода с бором) предъявляют жёсткие требования к коррозионной стойкости и долговременной стабильности термопарной проволоки. В отечественном проекте атомной энергетики используется комбинация оболочки из сплава Хастеллой C-276 и термопарной проволоки типа N. Сплав Хастеллой обладает превосходной устойчивостью к межзеренной коррозии. После пяти лет эксплуатации в воде, содержащей бор, дрейф термоэлектрического потенциала термопарной проволоки составляет всего ±0,8°C/1000 ч, что соответствует требованиям безопасности для оборудования атомной энергетики с расчётным сроком службы 60 лет.

III. Тенденции будущего: к «Интеллектуальному зондированию + Зелёной циркуляции»
В настоящее время отечественная отрасль термопарной проволоки перешла от «импортозамещения среднего и низкого уровней» к «высокотехнологическим прорывам на высоком уровне». К 2024 году ожидается, что внутренний рынок термопарной проволоки превысит 5 миллиардов юаней, при этом доля отечественного производства N-типа и сверхтонкой термопарной проволоки составит 85%. Платиново-родий-палладиевая композитная проволока обладает характеристиками, сопоставимыми с международными брендами. В будущем модернизация технологий будет сосредоточена на двух ключевых направлениях:

Интеллектуальная интеграция: интеграция проводов термопар с микросенсорами (такими как датчики вибрации и давления) для создания интегрированных «температурно-многопараметрических» измерительных проводов. Они могут одновременно отслеживать температуру и давление химических реакторов, при этом данные беспроводным образом передаются в систему управления для прогнозного технического обслуживания.

Зелёная переработка: разработка процесса восстановления с «высокотемпературным растворением и селективным извлечением» для проводов термопар из драгоценных металлов, таких как платина и родий, что позволяет достичь коэффициента извлечения драгоценных металлов 99,5% и снизить затраты на сырьё. Для недорогих металлических проводов термопар будут применяться биоразлагаемые покрытия, чтобы уменьшить загрязнение окружающей среды после утилизации.

Как «температурный нерв» термопарных проводов в экстремальных условиях эксплуатации, технологические модернизации термопарных проводов не только обеспечивают безопасную и эффективную работу в химической, авиационной и атомной энергетике, но также станут ключевым базовым компонентом «сенсорного слоя» промышленного интернета, обеспечивая основную материальную поддержку для интеллектуального производства и локализации высокотехнологичного оборудования.