摘要: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(diǎn)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(jī)理,并針對(duì)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(jì)選型中應(yīng)采取的措施。結(jié)合具體項(xiàng)目,介紹了環(huán)境氫脆下壓力變送器的選型應(yīng)用實(shí)例。
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(diǎn)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(jì)過程中,設(shè)計(jì)人員往往重點(diǎn)關(guān)注氫對(duì)設(shè)備材料的影響,而容易忽略氫對(duì)過程檢測(cè)儀表的影響,特別是對(duì)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(xiàng)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(shí)間后,會(huì)出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定、零點(diǎn)漂移等現(xiàn)象,有的甚至出現(xiàn)膜片鼓包、破裂等。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(jì)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(duì)壓力變送器的影響,提高所選儀表運(yùn)行的穩(wěn)定性,保證裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)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(chǔ)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(qiáng)的滲透能力,即使在大氣環(huán)境中氫也會(huì)以各種途徑進(jìn)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(huì)大幅加速氫的滲透能力。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#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(yàn)闅湓影霃胶苄。挥校埃矗叮睿,因而在外力作用下能夠滲透變送器的膜片。其整個(gè)過程大致有以下幾個(gè)步驟:
1)氣體氫氣通過氣相擴(kuò)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(kuò)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。
由于氫分子比氫原子大得多,透過金屬膜片的氫分子不會(huì)再透過膜片擴(kuò)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(huì)逐漸增大,達(dá)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(diǎn)漂移甚至壞損。
3 引發(fā)壓力變送器膜片環(huán)境氫脆的機(jī)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(shí)際上環(huán)境氫脆是一個(gè)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。如高強(qiáng)度鋼常出現(xiàn)在-100~150℃,以室溫下#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。
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(guó)內(nèi)外材料方面的專家進(jìn)行了較多的研究,如有序度對(duì)Ni,2Cr合金氫致脆斷的影響、電站鍋爐水冷壁管的氫腐蝕等,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(kuò)散透過金屬膜片。
4)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子通過擴(kuò)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(hù)過保護(hù)時(shí)產(chǎn)生氫原子,氫原子通過擴(kuò)散滲透變送器膜片引發(fā)環(huán)境氫脆。如測(cè)量海水的流量時(shí),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(huì)形成異種金屬電池,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(duì)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(cè)量介質(zhì)為氫氣(氫氣體積分?jǐn)?shù)在70%~100%,溫度在90~200℃)時(shí),壓力變送器的膜片可選用鍍金膜片。因?yàn)榻鹁哂休^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。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,但雙層鍍層膜片價(jià)格更貴。
2)測(cè)量介質(zhì)為高溫蒸汽時(shí),根據(jù)自控安裝圖冊(cè)HG/T 21581—2012中的要求,壓力變送器在安裝時(shí)導(dǎo)壓管線中需增加冷凝容器,增加冷凝容器后實(shí)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(duì)于存在異種金屬電池引起環(huán)境氫脆的場(chǎng)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(jìn)入電解電路,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(shí)例
在鶴壁年產(chǎn)0.1 Mt/a。保炊《柬(xiàng)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(diǎn)主要表現(xiàn)為高溫、高壓、高濃度。根據(jù)該介質(zhì)的特點(diǎn),結(jié)合上文中所介紹的措施,在設(shè)計(jì)選型時(shí)變送器的膜片材質(zhì)選用316L鍍金,#終訂貨時(shí)膜片鍍金厚度為25μm。目前裝置已穩(wěn)定運(yùn)行4a,據(jù)用戶反映所選用壓力變送器運(yùn)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(jì)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(cè)工藝介質(zhì)是否會(huì)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(cè)量的要求并能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。