臨氫工況差壓變送器隔離膜片防氫滲透工程設(shè)計(jì)

林洪俊，邱學(xué)，孫來(lái)寶

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

加氫工藝是近年來(lái)大量采用的重要的石油化工加工工藝。加氫裝置處于臨氫工況，溫度和壓力高。在該工況下，經(jīng)常發(fā)生壓力或差壓變送器投用時(shí)運(yùn)行正常，但一段時(shí)間后出現(xiàn)不明原因的故障，具體表現(xiàn)為精度逐漸下降，以至不能使用。將變送器拆卸校驗(yàn)，表現(xiàn)為性能嚴(yán)重變差，不能使用。檢查變送器外觀，發(fā)現(xiàn)故障嚴(yán)重的膜片發(fā)生外凸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知，上述故障是由于變送器發(fā)生了氫滲透現(xiàn)象。下面重點(diǎn)分析發(fā)生氫滲透的原因和場(chǎng)合。

1 問(wèn)題及分析

1.1 發(fā)生氫滲透的原因

變送器的隔離膜片為不銹鋼材質(zhì)。氫通常以氫分子形式存在，正常情況下，氫分子因尺寸大不能穿透隔離膜片的晶格結(jié)構(gòu)，而當(dāng)氫分子分裂成2個(gè)氫離子時(shí)，則氫離子因尺寸小則能夠穿透隔離膜片的晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)竭_(dá)隔離膜片的另一側(cè)時(shí)，氫離子重組為氫分子。同樣，由于氫分子尺寸大無(wú)法穿透隔離膜片返回，會(huì)被困在變送器的填充液中，氫分子將逐漸溶解于填充液中，隨著時(shí)間的推移，填充液飽和并會(huì)形成氫氣泡。氫氣泡會(huì)破壞壓力輸入和輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降低變送器的性能。在嚴(yán)重情況下，氫氣泡可以積聚足夠的體積迫使隔離膜片向外膨脹；在極端情況下，隔離膜片開(kāi)裂，填充液通過(guò)裂紋，泄漏到工藝介質(zhì)中，導(dǎo)致變送器完全失效。氫滲透示意如圖1所示。

圖1 氫滲透示意

1.2 發(fā)生氫滲透的場(chǎng)合

在加氫裝置臨氫工況下，高溫或高壓時(shí)氫分子互相碰撞和變形破裂，氫分子分裂為氫離子，會(huì)出現(xiàn)氫滲透現(xiàn)象。

2 防氫滲透方法

防氫滲透有以下幾種方法：

1)提升膜片基材。奧氏體不銹鋼是受氫滲透影響最小的材料，316不銹鋼是首選的基材。鎳基材質(zhì)，例如哈氏合金C-276和蒙乃爾合金，雖然抗腐蝕性比316不銹鋼更好，但是其晶格結(jié)構(gòu)松散，應(yīng)避免使用。鉭材質(zhì)抗腐蝕性比316不銹鋼更好，但容易發(fā)生氫脆，因此也應(yīng)避免使用。

2)膜片表面鍍金。膜片鍍金應(yīng)首選在面向工藝介質(zhì)側(cè)鍍金，更有利于防氫滲透。但遠(yuǎn)傳密封系統(tǒng)隔離膜片在填充液側(cè)鍍金，這樣可以防止鍍金層在運(yùn)輸或安裝過(guò)程中受損。標(biāo)準(zhǔn)變送器膜片在工藝介質(zhì)側(cè)鍍金，膜片在變送器容室內(nèi)，在運(yùn)輸或安裝過(guò)程中鍍金層不會(huì)受損。標(biāo)準(zhǔn)變送器膜片或遠(yuǎn)傳密封系統(tǒng)隔離膜片鍍金層厚度通常為3 μm。膜片鍍金如圖2所示。

圖2 膜片鍍金示意

3 防氫滲透方案選擇

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有防止氫滲透的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API RP551《工藝測(cè)量》中要求首選不銹鋼作為膜片基材，在下列情況下考慮膜片鍍金： 濕硫化氫環(huán)境；腐蝕環(huán)境中的氫氣；氫分壓不小于621 kPa；當(dāng)氫氣存在時(shí)溫度不小于43 ℃。

1)防止氫滲透有以下建議： 不使用電鍍材質(zhì)(例如鉻)或鍍鋅元件；變送器本體法蘭、閥組和管件應(yīng)為不銹鋼；變送器過(guò)程連接接口朝下，以避免濕氣體積聚在膜片上；延長(zhǎng)引壓管線長(zhǎng)度，使介質(zhì)溫度下降至環(huán)境溫度；使用遮陽(yáng)罩以降低變送器周圍的環(huán)境溫度。

2)石化行業(yè)主流變送器制造商對(duì)膜片鍍金的工況有以下兩種推薦做法：

a)根據(jù)工藝介質(zhì)的氫氣純度、溫度、壓力綜合判斷，某制造商膜片鍍金溫壓曲線如圖3所示。

圖3 某制造商推薦的膜片鍍金溫壓曲線

b)氫氣工況下溫度大于180 ℃或壓力大于2 MPa。

3)筆者建議選擇316不銹鋼作為變送器膜片基材，在下列情況下，在基材表面鍍金： 臨氫工況且氫分壓不小于621 kPa；臨氫工況且介質(zhì)溫度不小于43 ℃。

4)其他注意事項(xiàng)： 變送器本體法蘭、閥組和管件材質(zhì)選擇316不銹鋼；不使用電鍍材質(zhì)(例如鉻)或鍍鋅元件；變送器過(guò)程連接接口朝下，避免濕氣體積聚在膜片上；降低變送器周圍的環(huán)境溫度，例如使用遮陽(yáng)罩。

4 結(jié)束語(yǔ)

在加氫裝置工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)把工況進(jìn)行分類分析，根據(jù)工況決定變送器隔離膜片是否需要鍍金，既保證變送器準(zhǔn)確測(cè)量，長(zhǎng)周期有效工作，滿足工藝裝置長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)，也能防止隔離膜片全部鍍金，造成浪費(fèi)。