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。
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。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(qiáng)的滲透能力，即使在大氣環(huán)境中氫也會以各種途徑進(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�，因為氫原子半徑很小，只有０．４６ｎｍ，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：
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。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，國內(nèi)外材料方面的專家進(jìn)行了較多的研究，如有序度對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，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。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。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(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)用實例
在鶴壁年產(chǎn)０．１ Ｍｔ／ａ�。�，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，#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。
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