環境氫脆下壓力變送器的選型及應用

摘要：根據引起氫脆的原因，闡述了氫脆的現象，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壓力變送器膜片環境氫脆的機理，并針對引發壓力變送器膜片環境氫脆的不同情況，討論了壓力變送器在設計選型中應采取的措施。結合具體項目，介紹了環境氫脆下壓力變送器的選型應用實例。

隨著石油化工產業的發展，特別是煤化工及其下游產業的發展，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（如３１６Ｌ）的壓力變送器，在含有氫氣介質的工藝裝置上使用一段時間后，會出現輸出不穩定、零點漂移等現象，有的甚至出現膜片鼓包、破裂等。造成這些現象的原因主要是金屬膜片由于氫滲透而產生的“氫脆”現象。因此，在儀表設計選型的過程中除了按照相關規范選型外，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定性，保證裝置的安全、平穩運行。

１　氫脆現象
氫脆是指在金屬中發生的一些過程，這些過程導致金屬的承載能力因氫的出現而下降。但由于材料性能、加工工藝、環境、受力狀態不同，各種現象有較大差異。根據引起氫脆的氫的來源不同，氫脆可分成兩大類：內部氫脆，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；環境氫脆，它是在應力和氫氣或其他含氫介質的聯合作用下引起的一種脆性斷裂，如儲氫的壓力容器中出現的高壓氫脆。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境氫脆，主要是在氫環境下，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象主要表現在膜片上。氫氣滲透膜片過程如圖１所示，正常狀態下氫氣是以分子狀態存在的，氫氣分子不易滲透膜片，但當氫氣變為氫原子后，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散接近金屬表面。
２）氫氣和金屬表面化合物發生相互作用，即發生物理吸附和化學吸附。
３）由于化學吸附使分子氫氣的鍵合變得松弛或斷裂，在金屬表面發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散回去。當透過金屬膜片的氫氣慢慢聚集后，變送器內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，產生零點漂移甚至壞損。

３　引發壓力變送器膜片環境氫脆的機理
３．１　氫氣介質引發變送器膜片環境氫脆
前文分析了氫氣滲透膜片的過程，也反映了氫氣介質引發壓力變送器膜片環境氫脆的過程，但實際上環境氫脆是一個慢慢積累的過程。另外，研究發現氫氣的滲透與氫氣的濃度、溫度和壓力有一定關系，且不同材料產生環境氫脆的溫度、壓力條件也不一樣。如高強度鋼常出現在－１００～１５０℃，以室溫下最敏感［６］，此外研究發現氫脆敏感性隨著氫含量的增加而增大。

３．２　高溫蒸汽引發變送器膜片環境氫脆
關于高溫蒸汽引發氫脆的問題，國內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、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的氫脆問題，其中較認同的高溫蒸汽引發環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）發生以下化學反應：

３）由于化學吸附使分子氫氣的鍵合變得松弛或斷裂，在金屬表面發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）化學反應產生的氫原子通過擴散滲透金屬膜片，從而引發氫脆現象。

３．３　異種金屬電池引發變送器膜片環境氫脆
異種金屬電池主要是不同的金屬之間發生電偶腐蝕或陰極保護過保護時產生氫原子，氫原子通過擴散滲透變送器膜片引發環境氫脆。如測量海水的流量時，若導壓管選用鍍鋅碳鋼，而差壓變送器的膜片選用３１６Ｌ，這樣導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，從而引發變送器膜片環境氫脆。

４　環境氫脆下壓力變送器的選型
針對以上各種引發壓力變送器膜片環境氫脆的原因，在壓力變送器的選型過程中應結合具體的情況選擇合適的壓力變送器，特別是在膜片材質的選擇、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）測量介質為氫氣（氫氣體積分數在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構，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）測量介質為高溫蒸汽時，根據自控安裝圖冊ＨＧ／Ｔ�。玻保担福�—２０１２中的要求，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的膜片材質即可，如３１６Ｌ。

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

５　環境氫脆下壓力變送器的選型應用實例
在鶴壁年產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主要是氫氣，氫氣體積分數為９９．９％，溫度為１５２℃，壓力為１９．９ＭＰａ，其工藝介質特點主要表現為高溫、高壓、高濃度。根據該介質的特點，結合上文中所介紹的措施，在設計選型時變送器的膜片材質選用３１６Ｌ鍍金，最終訂貨時膜片鍍金厚度為２５μｍ。目前裝置已穩定運行４ａ，據用戶反映所選用壓力變送器運行情況良好，在正常生產過程中及停車檢修過程中未見異常。

６　結束語
在壓力變送器的選型設計過程中，除了需按照相關的規范選擇壓力變送器外，還應考慮所測工藝介質是否會引發壓力變送器膜片產生氫脆現象，并根據介質的情況，從壓力變送器膜片材質的選擇、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定運行。