环境氢脆下压力变送器的选型及应用

刘坤超

(中国五环工程有限公司，武汉 430223)



环境氢脆下压力变送器的选型及应用

刘坤超

(中国五环工程有限公司，武汉 430223)

根据引起氢脆的原因，阐述了氢脆的现象，指出了压力变送器的氢脆类型。重点分析了氢气渗透压力变送器膜片的过程及三种引发压力变送器膜片环境氢脆的机理，并针对引发压力变送器膜片环境氢脆的不同情况，讨论了压力变送器在设计选型中应采取的措施。结合具体项目，介绍了环境氢脆下压力变送器的选型应用实例。

环境氢脆 压力变送器 氢渗透 镀金膜片

随着石油化工产业的发展，特别是煤化工及其下游产业的发展，越来越多的工艺过程含有制氢、加氢装置，且这些装置的特点大多是化学反应过程含有高温、高压及高浓度的氢气。在这些装置的设计过程中，设计人员往往重点关注氢对设备材料的影响，而容易忽略氢对过程检测仪表的影响，特别是对压力变送器的影响。目前压力变送器膜片的材质大多为316L、哈氏合金等，通过已投用项目的反馈，普通膜片材质(如316L)的压力变送器，在含有氢气介质的工艺装置上使用一段时间后，会出现输出不稳定、零点漂移等现象，有的甚至出现膜片鼓包、破裂等[1-2]。造成这些现象的原因主要是金属膜片由于氢渗透而产生的“氢脆”现象。因此，在仪表设计选型的过程中除了按照相关规范选型外，还应考虑氢脆对压力变送器的影响，提高所选仪表运行的稳定性，保证装置的安全、平稳运行。

1 氢脆现象

氢脆是指在金属中发生的一些过程，这些过程导致金属的承载能力因氢的出现而下降。但由于材料性能、加工工艺、环境、受力状态不同，各种现象有较大差异。根据引起氢脆的氢的来源不同，氢脆可分成两大类：内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；环境氢脆，它是在应力和氢气或其他含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如储氢的压力容器中出现的高压氢脆。文中所要讨论的压力变送器膜片的氢脆属于第二类氢脆即环境氢脆，主要是在氢环境下，氢气分子在物理及化学作用下以氢原子的形式渗透变送器膜片而产生的氢脆。

2 氢气渗透压力变送器膜片过程

氢气虽然没有腐蚀作用，但是有极强的渗透能力，即使在大气环境中氢也会以各种途径进入金属材料的晶格中，若在高温、高压和高浓度协同作用下，则会大幅加速氢的渗透能力[3]。压力变送器中与介质接触的部分主要是膜片，通常膜片的厚度只有0.04～0.08mm，是变送器中最薄弱的部分，因而压力变送器的氢脆现象主要表现在膜片上。

氢气渗透膜片过程如图1所示，正常状态下氢气是以分子状态存在的，氢气分子不易渗透膜片，但当氢气变为氢原子后，因为氢原子半径很小，只有0.46nm，因而在外力作用下能够渗透变送器的膜片。其整个过程大致有以下几个步骤[4]：

1) 气体氢气通过气相扩散接近金属表面。

2) 氢气和金属表面化合物发生相互作用，即发生物理吸附和化学吸附。

3) 由于化学吸附使分子氢气的键合变得松弛或断裂，在金属表面发生原子或分子的重排，由此形成氢原子，其中部分氢原子通过扩散透过金属膜片。

4) 透过金属膜片的部分氢原子又结合成氢分子。

图1 氢气渗透膜片过程示意

由于氢分子比氢原子大得多，透过金属膜片的氢分子不会再透过膜片扩散回去。当透过金属膜片的氢气慢慢聚集后，变送器内腔的压力会逐渐增大，达到一定压力后使膜片外鼓变形直至破裂，造成变送器输出不稳，产生零点漂移甚至坏损。

3 引发压力变送器膜片环境氢脆的机理

3.1 氢气介质引发变送器膜片环境氢脆

前文分析了氢气渗透膜片的过程，也反映了氢气介质引发压力变送器膜片环境氢脆的过程，但实际上环境氢脆是一个慢慢积累的过程。另外，研究发现氢气的渗透与氢气的浓度、温度和压力有一定关系，且不同材料产生环境氢脆的温度、压力条件也不一样[5]。如高强度钢常出现在-100～150℃，以室温下最敏感[6]，此外研究发现氢脆敏感性随着氢含量的增加而增大[4]。

3.2 高温蒸汽引发变送器膜片环境氢脆

关于高温蒸汽引发氢脆的问题，国内外材料方面的专家进行了较多的研究，如有序度对Ni，2Cr合金氢致脆断的影响[4]、电站锅炉水冷壁管的氢腐蚀[7]等，这些研究从不同的角度研究了高温蒸汽引发的氢脆问题，其中较认同的高温蒸汽引发环境氢脆的主要过程如下：

1) 水汽吸附在金属表面。

2) 在金属表面(一定的温度作用下)发生以下化学反应：

3) 由于化学吸附使分子氢气的键合变得松弛或断裂，在金属表面发生原子或分子的重排，由此形成氢原子，其中部分氢原子通过扩散透过金属膜片。

4) 化学反应产生的氢原子通过扩散渗透金属膜片，从而引发氢脆现象。

3.3 异种金属电池引发变送器膜片环境氢脆

异种金属电池主要是不同的金属之间发生电偶腐蚀或阴极保护过保护时产生氢原子，氢原子通过扩散渗透变送器膜片引发环境氢脆。如测量海水的流量时，若导压管选用镀锌碳钢，而差压变送器的膜片选用316L，这样导压管的镀锌碳钢与变送器的不锈钢膜片之间会形成异种金属电池[8]，从而引发变送器膜片环境氢脆。

4 环境氢脆下压力变送器的选型

针对以上各种引发压力变送器膜片环境氢脆的原因，在压力变送器的选型过程中应结合具体的情况选择合适的压力变送器，特别是在膜片材质的选择、变送器的安装方式以及安装材料的选择方面采取相应的措施。

1) 测量介质为氢气(氢气体积分数在70%～100%，温度在90～200℃)时，压力变送器的膜片可选用镀金膜片[8]。因为金具有较密的晶格结构，氢原子不易渗透，研究表明选用316L镀金膜片的氢渗透量为非镀金316L膜片渗透量的0.01～0.02倍[9]。另外，也可采用双层镀层膜片，即在镀金膜片基础上再镀一层陶瓷膜，陶瓷层可以起到电绝缘和氢隔离的作用，从而更有效地防止氢渗透[10]，但双层镀层膜片价格更贵。

2) 测量介质为高温蒸汽时，根据自控安装图册HG/T 21581—2012中的要求，压力变送器在安装时导压管线中需增加冷凝容器，增加冷凝容器后实际与压力变送器接触的介质不再是高温蒸汽。因此，在压力变送器的选型过程中选用常规的膜片材质即可，如316L。

3) 对于存在异种金属电池引起环境氢脆的场合，引压管尽量采用与压力变送器膜片相同的材质，或绝缘异金属接触，防止膜片进入电解电路[8]，也可选用膜片镀金的变送器。

5 环境氢脆下压力变送器的选型应用实例

在鹤壁年产0.1Mt/a 1，4丁二醇项目中，902单元有3套高压加氢装置，加氢管线中的工艺介质主要是氢气，氢气体积分数为99.9%，温度为152℃，压力为19.9MPa，其工艺介质特点主要表现为高温、高压、高浓度。根据该介质的特点，结合上文中所介绍的措施，在设计选型时变送器的膜片材质选用316L镀金，最终订货时膜片镀金厚度为25μm。目前装置已稳定运行4a，据用户反映所选用压力变送器运行情况良好，在正常生产过程中及停车检修过程中未见异常。

6 结束语

在压力变送器的选型设计过程中，除了需按照相关的规范选择压力变送器外，还应考虑所测工艺介质是否会引发压力变送器膜片产生氢脆现象，并根据介质的情况，从压力变送器膜片材质的选择、安置方式的选择，安装材料的选择等方面采取相应的措施，确保所选压力变送器能够满足测量的要求并能够长期稳定运行。

[1] 徐惊涛，王冠峰，张东春.智能变送器测量氢气时产生的故障分析及解决措施[J].炼油与化工，2005，16(02)：48.

[2] 胡晓冰.关于智能差压变送器选型问题的案例[J].科技风，2011(13)：108.

[3] 韩建武，杨洮梅.防氢型变送器原理及应用[J].化工自动化及仪表，2008(35)：87-88.

[4] 李慧改.有序度对Ni<，2>Cr合金氢致脆断的影响[D].上海：上海大学，2004.

[5] 赵雪会，胡志兵，白真权，等.不锈钢在含氢介质条件下的脆性变化分析[J].石油矿场机械，2009(38)：41-46.

[6] 张建.高强度钢氢脆机理研究进展[J].莱钢科技，2009(03)：3-7.

[7] 崔仑，孙凯，陈俊峰.电站锅炉水冷壁管的氢腐蚀[J].吉林电力，2004(05)：40-43.

[8] 蔡武昌.氢气渗入差压变送器封液的故障原因和防治[J].石油化工自动化，2009，45(01)：60-61.

[9] ARAI M, SASAKI Y, KOUNO A. Reduction in Hydrogen Permeation through Diaphragm Used in Differential Pressure and Pressure Transmitters [J]. Shinku, 2001(44)：740-746.

[10] 蔡武昌.金属隔离膜片氢气渗透防护[J].石油化工自动化，2000，36(01)：55-56.

Type Selection and Application of Pressure Transmitter under Environmental Hydrogen Embrittlement

Liu Kunchao

(Wuhuan Engineering Co. Ltd., Wuhan, 430223, China)

s：According to different causes of hydrogen embrittlement, hydrogen embrittlement types of pressure transmitter are expounded. Process of hydrogen permeation of pressure transmitter diaphragm and three kinds of mechanism under triggered pressure transmitter diaphragm environmental hydrogen embrittlement are emphatically investigated. In the view of different situations of causes for pressure transmitter diaphragm environmental hydrogen embrittlement, countermeasures to be taken in design and selection of pressure transmitter are discussed. Combined with specific project, selection and application cases of pressure transmitter under environmental hydrogen embrittlement are introduced.

environmental hydrogen embrittlement; pressure transmitter; hydrogen permeation; gold plating

刘坤超(1982—)，男，现就职于中国五环工程有限公司，主要从事石油、化工项目自动化仪表选型及工程设计工作，任工程师。

TH812

B

1007-7324(2016)05-0025-03

稿件收到日期：2016-06-14，修改稿收到日期：2016-08-16。