煤氣生產用壓力表需要提防氫脆現象

在能源清潔化成為前提的現在，煤炭資源大部分都被轉化成煤氣這種清潔能源。作為煤炭清潔化高效轉化技術的核心，造氣爐在運轉時的各項參數也都需要不間斷的監控，壓力作為重要參數之一，當然也就少不了壓力變送器的應用，但造氣爐在運作時，其工作環境處于高溫高壓，這種環境會導致常規壓力百年送去給的測量膜片出現氫脆的現象，即氫氣滲透進金屬，造成金屬斷裂的情況。

下面，針對氫脆這一現象，我們將提出使用鍍金膜片測氫氣的方法并解釋應該如何處理這一問題。

一、氫脆現象的概述

氫是自然界中最小的原子，氫氣其本身化學性質活潑但并不具備腐蝕性，卻因其體積而獲得了極強的滲透能力，由于氫原子的尺寸遠小于金屬原子，因此在高溫高壓的環境下氫氣可以解離成氫原子并滲透到金屬材料的經過點陣的間隙位置，此時，當壓力消失后氫氣，氫氣會再度從變送器的膜片中逸出，這樣反復經過一段時間后，壓力變送器的膜片就好像被腐蝕了一樣變得多孔和脆弱，如果還有氫氣分子逃逸穿過了膜片，進入到硅油之中，因為硅油所在的毛細管因為是需要導壓的，所以是全封閉的，此時多出來的氫氣還會造成壓力變送器膜片的變形，導致壓力變送器測量不精準。。

二、氫脆現象對壓力變送器的影響

由于測量膜片厚度不足 0.1mm，常規的壓力變送器下極易出現氫脆現象并受到影響，導致測量膜片韌性退化失去彈性，出現空腔鼓包或者裂紋。隨著時間推移氫分子甚至可以穿透測量膜片進入隔離硅油傳導液，出現氣泡增加了壓力傳遞過程中的損耗，還會直接干擾壓力變送器的測量效果，導致壓力變送器零點漂移、輸出不穩定，出現測量誤差令壓力測量參數波動，更為嚴重的情況下甚至損壞儀表造成事故發生。壓力變送器是集測量與信號變送為一體的設備，它可以將壓力信號轉化為標準電動信號用以控制和進行實時數據遠傳，其核心元件是傳感器芯體及測量膜盒。在清脆現象發生的過程中，如果是法蘭遠傳型的壓力變送器其本體并不會受到任何的損傷，但由于前端的壓力傳導壓力被破壞，壓力變送器本身測得的數據也將完全失真，無法正常運作。而如果壓力變送器和法蘭是直接連接，當硅油中充滿了氫氣分子時或者波紋膜片直接接觸氫氣時，壓力變送器本身也會遭到破壞。

當使用鍍金膜片時，因為金的質地更密

三、煤氣化裝置工況下壓力變送器測量膜片的選型

3.1 工藝狀況簡介

工業煤氣化技術為保障連續化不間斷生產、提高合成氣產 量規模，通常是在造氣爐中以水作為氣化劑，在高溫高壓條件 令煤炭與水蒸氣發生反應生成合成氣( 主要成分為氫氣及一氧化碳，此外含有少量二氧化碳及其它微量雜質) ，主要反應方程式是 C + H2 O 幑幐CO + H2及C +2H2O 幑幐CO2+2H2 。隨著技術不斷改進，目前大規模煤氣化技術主要分成三種技術方案，即氣流床氣化技術、流化床氣化技術及固定床氣化技術［4］， 其核心部件是造氣爐。以德士古( Texaco) 、殼牌( Shell) 為代表的氣流床造氣爐技術可靠、工藝成熟，具備轉化效率高、自動化生產連續性好、產量穩定、煤種適應范圍廣泛等諸多優點，是目前煤氣化技術發展和應用的主流趨勢。根據相關企業的自控方案，氣化爐上有諸多儀表測點( 如溫度、壓力、流量等) ，需要采集壓力參數并遠傳至造氣裝置的自控系統中。

3.2 壓力變送器測量膜片的選型

氣化爐壓力參數直接關系到造氣工段穩定運行和安全生 產，是操作過程自動化控制中的一個重要工藝指標。它直接參與了氣化爐安全聯鎖停車動作，因此壓力儀表選型需要得到重視，選擇技術可靠且使用壽命較長的儀表來確保采集有效準確的工藝參數。氣化爐壓力測量基本選型采用壓力變送器得到 諸多設計單位及用戶企業的共識，但是忽視氫脆現象、不注意 壓力變送器測量膜片選型的案例時有發生，這種情況需要引起 重視并值得深思。

根據相關資料，目前常見的氣流床造氣爐測點處工況溫度參數為250℃,工況壓力參數為3.75MPa，合成氣中氫氣含量不低于30%( 摩爾分數)，則合成氣中氫氣分壓不小于1.125MPa(3.75MPa×30%=1.125MPa)。該工況屬于高溫臨氫場合，即流體最高操作溫度超過 200℃ 且流體中氫分壓超過0.7MPa的工藝環境。高溫臨氫場合下金屬設備極易發生氫脆現象,并且隨著環境溫度、壓力及氫氣濃度的增加，氫脆現象會愈加顯著(其中環境溫度是最為關鍵的影響因素)。因此造氣爐壓力變送器的測量膜片需要具備防止氫氣滲透的功能，減小氫脆現 象的影響。

由于金具備細密的晶格點陣，因此氫不易滲透或溶解在金材料內部。此外金是非常穩定的金屬元素，具備良好的抗腐蝕 性能及延展性，可以制作成極薄的抗腐蝕涂層。針對這種特性，目前全球諸多知名的壓力變送器供應商( 日本橫河、美國霍尼韋爾、美國麥德勝) 研發了鍍金膜片型壓力變送器，通過鍍金涂層可以對測量膜片形成保護膜，有效隔離并防止氫氣滲透，從而顯著降低了氫脆現象的影響。該工藝采用高溫長時間燒結技術，在壓力變送器隔離膜片(材質為316L奧氏體不銹鋼)表層鍍上一層黃金鍍層( 減少氫滲透作用)，黃金鍍層基面再鍍上一層陶瓷鍍膜(用于隔離氫)。這種雙層鍍膜質地致密均勻、堅固耐腐、不受應力影響，鍍層極薄( 通常不足3μmm) 不影響測量精度，較之純金膜片造價低廉且性能不受影響。采用鍍金膜片型壓力變送器，能夠滿足煤造氣裝置造氣爐的工藝要求，適宜于高溫臨氫場合下長期使用。這種新式的壓力變送器在煤造氣行業已得到逐步推廣，根據企業反饋結果使用性能和儀表壽命明顯優于普通的壓力變送器。

四、結 語

合理對壓力儀表選型，是確保生產安全的重要手段。本文提及的鍍金膜片型壓力變送器也適用于石化行業( 如加氫、制氫裝置)的高溫臨氫場合，為類似工程壓力儀表選型及設計提供一定的參考和借鑒。