壓力變送器的選型及應用—氫脆

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反應過程含有高溫、高壓及高濃度的氫氣。在這些裝置的設計過程中，設計人員往往重點關(guān)注氫對設備材料的影響，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，在儀表設計選型的過程中除了按照相關(guān)規(guī)范選型外，還應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。

 Q1.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作用下以氫原子的形式滲透變送器膜片而產(chǎn)生的氫脆。

 Q2.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*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。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．O4～O．08 illm，是變送器中bao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。

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，但當氫氣變?yōu)闅湓雍?，因為氫原子半徑很小，只?．46 nm，因而在外力作用下能夠滲透變送器的膜片。

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。

Q3. 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的措施。

1)測量介質(zhì)為氫氣(氫氣體積分數(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lg]。

2)測量介質(zhì)為高溫蒸汽時，壓力變送器在安裝時導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。

在壓力變送器的選型設計過程中，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。

針對這一現(xiàn)象，STS 多年來為巴斯夫、道達爾，賀爾碧格，中科院等單位提供鍍金膜片壓力變送器，為氫氣的生產(chǎn)，研發(fā)和應用保駕護航。