環(huán)境氫脆下壓力變送器的選型及應(yīng)用

劉坤超

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

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環(huán)境氫脆下壓力變送器的選型及應(yīng)用

劉坤超

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

根據(jù)引起氫脆的原因，闡述了氫脆的現(xiàn)象，指出了壓力變送器的氫脆類型。重點分析了氫氣滲透壓力變送器膜片的過程及三種引發(fā)壓力變送器膜片環(huán)境氫脆的機理，并針對引發(fā)壓力變送器膜片環(huán)境氫脆的不同情況，討論了壓力變送器在設(shè)計選型中應(yīng)采取的措施。結(jié)合具體項目，介紹了環(huán)境氫脆下壓力變送器的選型應(yīng)用實例。

環(huán)境氫脆 壓力變送器 氫滲透 鍍金膜片

隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是煤化工及其下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的工藝過程含有制氫、加氫裝置，且這些裝置的特點大多是化學(xué)反應(yīng)過程含有高溫、高壓及高濃度的氫氣。在這些裝置的設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往重點關(guān)注氫對設(shè)備材料的影響，而容易忽略氫對過程檢測儀表的影響，特別是對壓力變送器的影響。目前壓力變送器膜片的材質(zhì)大多為316L、哈氏合金等，通過已投用項目的反饋，普通膜片材質(zhì)(如316L)的壓力變送器，在含有氫氣介質(zhì)的工藝裝置上使用一段時間后，會出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定、零點漂移等現(xiàn)象，有的甚至出現(xiàn)膜片鼓包、破裂等[1-2]。造成這些現(xiàn)象的原因主要是金屬膜片由于氫滲透而產(chǎn)生的“氫脆”現(xiàn)象。因此，在儀表設(shè)計選型的過程中除了按照相關(guān)規(guī)范選型外，還應(yīng)考慮氫脆對壓力變送器的影響，提高所選儀表運行的穩(wěn)定性，保證裝置的安全、平穩(wěn)運行。

1 氫脆現(xiàn)象

氫脆是指在金屬中發(fā)生的一些過程，這些過程導(dǎo)致金屬的承載能力因氫的出現(xiàn)而下降。但由于材料性能、加工工藝、環(huán)境、受力狀態(tài)不同，各種現(xiàn)象有較大差異。根據(jù)引起氫脆的氫的來源不同，氫脆可分成兩大類：內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接或電鍍、酸洗過程中吸收了過量的氫氣而造成的；環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣或其他含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種脆性斷裂，如儲氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。文中所要討論的壓力變送器膜片的氫脆屬于第二類氫脆即環(huán)境氫脆，主要是在氫環(huán)境下，氫氣分子在物理及化學(xué)作用下以氫原子的形式滲透變送器膜片而產(chǎn)生的氫脆。

2 氫氣滲透壓力變送器膜片過程

氫氣雖然沒有腐蝕作用，但是有極強的滲透能力，即使在大氣環(huán)境中氫也會以各種途徑進入金屬材料的晶格中，若在高溫、高壓和高濃度協(xié)同作用下，則會大幅加速氫的滲透能力[3]。壓力變送器中與介質(zhì)接觸的部分主要是膜片，通常膜片的厚度只有0.04～0.08mm，是變送器中最薄弱的部分，因而壓力變送器的氫脆現(xiàn)象主要表現(xiàn)在膜片上。

氫氣滲透膜片過程如圖1所示，正常狀態(tài)下氫氣是以分子狀態(tài)存在的，氫氣分子不易滲透膜片，但當(dāng)氫氣變?yōu)闅湓雍?，因為氫原子半徑很小，只?.46nm，因而在外力作用下能夠滲透變送器的膜片。其整個過程大致有以下幾個步驟[4]：

1) 氣體氫氣通過氣相擴散接近金屬表面。

2) 氫氣和金屬表面化合物發(fā)生相互作用，即發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附。

3) 由于化學(xué)吸附使分子氫氣的鍵合變得松弛或斷裂，在金屬表面發(fā)生原子或分子的重排，由此形成氫原子，其中部分氫原子通過擴散透過金屬膜片。

4) 透過金屬膜片的部分氫原子又結(jié)合成氫分子。

圖1 氫氣滲透膜片過程示意

由于氫分子比氫原子大得多，透過金屬膜片的氫分子不會再透過膜片擴散回去。當(dāng)透過金屬膜片的氫氣慢慢聚集后，變送器內(nèi)腔的壓力會逐漸增大，達到一定壓力后使膜片外鼓變形直至破裂，造成變送器輸出不穩(wěn)，產(chǎn)生零點漂移甚至壞損。

3 引發(fā)壓力變送器膜片環(huán)境氫脆的機理

3.1 氫氣介質(zhì)引發(fā)變送器膜片環(huán)境氫脆

前文分析了氫氣滲透膜片的過程，也反映了氫氣介質(zhì)引發(fā)壓力變送器膜片環(huán)境氫脆的過程，但實際上環(huán)境氫脆是一個慢慢積累的過程。另外，研究發(fā)現(xiàn)氫氣的滲透與氫氣的濃度、溫度和壓力有一定關(guān)系，且不同材料產(chǎn)生環(huán)境氫脆的溫度、壓力條件也不一樣[5]。如高強度鋼常出現(xiàn)在-100～150℃，以室溫下最敏感[6]，此外研究發(fā)現(xiàn)氫脆敏感性隨著氫含量的增加而增大[4]。

3.2 高溫蒸汽引發(fā)變送器膜片環(huán)境氫脆

關(guān)于高溫蒸汽引發(fā)氫脆的問題，國內(nèi)外材料方面的專家進行了較多的研究，如有序度對Ni，2Cr合金氫致脆斷的影響[4]、電站鍋爐水冷壁管的氫腐蝕[7]等，這些研究從不同的角度研究了高溫蒸汽引發(fā)的氫脆問題，其中較認(rèn)同的高溫蒸汽引發(fā)環(huán)境氫脆的主要過程如下：

1) 水汽吸附在金屬表面。

2) 在金屬表面(一定的溫度作用下)發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

3) 由于化學(xué)吸附使分子氫氣的鍵合變得松弛或斷裂，在金屬表面發(fā)生原子或分子的重排，由此形成氫原子，其中部分氫原子通過擴散透過金屬膜片。

4) 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子通過擴散滲透金屬膜片，從而引發(fā)氫脆現(xiàn)象。

3.3 異種金屬電池引發(fā)變送器膜片環(huán)境氫脆

異種金屬電池主要是不同的金屬之間發(fā)生電偶腐蝕或陰極保護過保護時產(chǎn)生氫原子，氫原子通過擴散滲透變送器膜片引發(fā)環(huán)境氫脆。如測量海水的流量時，若導(dǎo)壓管選用鍍鋅碳鋼，而差壓變送器的膜片選用316L，這樣導(dǎo)壓管的鍍鋅碳鋼與變送器的不銹鋼膜片之間會形成異種金屬電池[8]，從而引發(fā)變送器膜片環(huán)境氫脆。

4 環(huán)境氫脆下壓力變送器的選型

針對以上各種引發(fā)壓力變送器膜片環(huán)境氫脆的原因，在壓力變送器的選型過程中應(yīng)結(jié)合具體的情況選擇合適的壓力變送器，特別是在膜片材質(zhì)的選擇、變送器的安裝方式以及安裝材料的選擇方面采取相應(yīng)的措施。

1) 測量介質(zhì)為氫氣(氫氣體積分?jǐn)?shù)在70%～100%，溫度在90～200℃)時，壓力變送器的膜片可選用鍍金膜片[8]。因為金具有較密的晶格結(jié)構(gòu)，氫原子不易滲透，研究表明選用316L鍍金膜片的氫滲透量為非鍍金316L膜片滲透量的0.01～0.02倍[9]。另外，也可采用雙層鍍層膜片，即在鍍金膜片基礎(chǔ)上再鍍一層陶瓷膜，陶瓷層可以起到電絕緣和氫隔離的作用，從而更有效地防止氫滲透[10]，但雙層鍍層膜片價格更貴。

2) 測量介質(zhì)為高溫蒸汽時，根據(jù)自控安裝圖冊HG/T 21581—2012中的要求，壓力變送器在安裝時導(dǎo)壓管線中需增加冷凝容器，增加冷凝容器后實際與壓力變送器接觸的介質(zhì)不再是高溫蒸汽。因此，在壓力變送器的選型過程中選用常規(guī)的膜片材質(zhì)即可，如316L。

3) 對于存在異種金屬電池引起環(huán)境氫脆的場合，引壓管盡量采用與壓力變送器膜片相同的材質(zhì)，或絕緣異金屬接觸，防止膜片進入電解電路[8]，也可選用膜片鍍金的變送器。

5 環(huán)境氫脆下壓力變送器的選型應(yīng)用實例

在鶴壁年產(chǎn)0.1Mt/a 1，4丁二醇項目中，902單元有3套高壓加氫裝置，加氫管線中的工藝介質(zhì)主要是氫氣，氫氣體積分?jǐn)?shù)為99.9%，溫度為152℃，壓力為19.9MPa，其工藝介質(zhì)特點主要表現(xiàn)為高溫、高壓、高濃度。根據(jù)該介質(zhì)的特點，結(jié)合上文中所介紹的措施，在設(shè)計選型時變送器的膜片材質(zhì)選用316L鍍金，最終訂貨時膜片鍍金厚度為25μm。目前裝置已穩(wěn)定運行4a，據(jù)用戶反映所選用壓力變送器運行情況良好，在正常生產(chǎn)過程中及停車檢修過程中未見異常。

6 結(jié)束語

在壓力變送器的選型設(shè)計過程中，除了需按照相關(guān)的規(guī)范選擇壓力變送器外，還應(yīng)考慮所測工藝介質(zhì)是否會引發(fā)壓力變送器膜片產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，并根據(jù)介質(zhì)的情況，從壓力變送器膜片材質(zhì)的選擇、安置方式的選擇，安裝材料的選擇等方面采取相應(yīng)的措施，確保所選壓力變送器能夠滿足測量的要求并能夠長期穩(wěn)定運行。

[1] 徐驚濤，王冠峰，張東春.智能變送器測量氫氣時產(chǎn)生的故障分析及解決措施[J].煉油與化工，2005，16(02)：48.

[2] 胡曉冰.關(guān)于智能差壓變送器選型問題的案例[J].科技風(fēng)，2011(13)：108.

[3] 韓建武，楊洮梅.防氫型變送器原理及應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2008(35)：87-88.

[4] 李慧改.有序度對Ni<，2>Cr合金氫致脆斷的影響[D].上海：上海大學(xué)，2004.

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[7] 崔侖，孫凱，陳俊峰.電站鍋爐水冷壁管的氫腐蝕[J].吉林電力，2004(05)：40-43.

[8] 蔡武昌.氫氣滲入差壓變送器封液的故障原因和防治[J].石油化工自動化，2009，45(01)：60-61.

[9] ARAI M, SASAKI Y, KOUNO A. Reduction in Hydrogen Permeation through Diaphragm Used in Differential Pressure and Pressure Transmitters [J]. Shinku, 2001(44)：740-746.

[10] 蔡武昌.金屬隔離膜片氫氣滲透防護[J].石油化工自動化，2000，36(01)：55-56.

Type Selection and Application of Pressure Transmitter under Environmental Hydrogen Embrittlement

Liu Kunchao

(Wuhuan Engineering Co. Ltd., Wuhan, 430223, China)

s：According to different causes of hydrogen embrittlement, hydrogen embrittlement types of pressure transmitter are expounded. Process of hydrogen permeation of pressure transmitter diaphragm and three kinds of mechanism under triggered pressure transmitter diaphragm environmental hydrogen embrittlement are emphatically investigated. In the view of different situations of causes for pressure transmitter diaphragm environmental hydrogen embrittlement, countermeasures to be taken in design and selection of pressure transmitter are discussed. Combined with specific project, selection and application cases of pressure transmitter under environmental hydrogen embrittlement are introduced.

environmental hydrogen embrittlement; pressure transmitter; hydrogen permeation; gold plating

劉坤超(1982—)，男，現(xiàn)就職于中國五環(huán)工程有限公司，主要從事石油、化工項目自動化儀表選型及工程設(shè)計工作，任工程師。

TH812

B

1007-7324(2016)05-0025-03

稿件收到日期：2016-06-14，修改稿收到日期：2016-08-16。