临氢工况差压变送器隔离膜片防氢渗透工程设计

林洪俊，邱学，孙来宝

(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

加氢工艺是近年来大量采用的重要的石油化工加工工艺。加氢装置处于临氢工况，温度和压力高。在该工况下，经常发生压力或差压变送器投用时运行正常，但一段时间后出现不明原因的故障，具体表现为精度逐渐下降，以至不能使用。将变送器拆卸校验，表现为性能严重变差，不能使用。检查变送器外观，发现故障严重的膜片发生外凸。根据经验得知，上述故障是由于变送器发生了氢渗透现象。下面重点分析发生氢渗透的原因和场合。

1 问题及分析

1.1 发生氢渗透的原因

变送器的隔离膜片为不锈钢材质。氢通常以氢分子形式存在，正常情况下，氢分子因尺寸大不能穿透隔离膜片的晶格结构，而当氢分子分裂成2个氢离子时，则氢离子因尺寸小则能够穿透隔离膜片的晶格结构。当到达隔离膜片的另一侧时，氢离子重组为氢分子。同样，由于氢分子尺寸大无法穿透隔离膜片返回，会被困在变送器的填充液中，氢分子将逐渐溶解于填充液中，随着时间的推移，填充液饱和并会形成氢气泡。氢气泡会破坏压力输入和输出之间的对应关系，降低变送器的性能。在严重情况下，氢气泡可以积聚足够的体积迫使隔离膜片向外膨胀；在极端情况下，隔离膜片开裂，填充液通过裂纹，泄漏到工艺介质中，导致变送器完全失效。氢渗透示意如图1所示。

图1 氢渗透示意

1.2 发生氢渗透的场合

在加氢装置临氢工况下，高温或高压时氢分子互相碰撞和变形破裂，氢分子分裂为氢离子，会出现氢渗透现象。

2 防氢渗透方法

防氢渗透有以下几种方法：

1)提升膜片基材。奥氏体不锈钢是受氢渗透影响最小的材料，316不锈钢是首选的基材。镍基材质，例如哈氏合金C-276和蒙乃尔合金，虽然抗腐蚀性比316不锈钢更好，但是其晶格结构松散，应避免使用。钽材质抗腐蚀性比316不锈钢更好，但容易发生氢脆，因此也应避免使用。

2)膜片表面镀金。膜片镀金应首选在面向工艺介质侧镀金，更有利于防氢渗透。但远传密封系统隔离膜片在填充液侧镀金，这样可以防止镀金层在运输或安装过程中受损。标准变送器膜片在工艺介质侧镀金，膜片在变送器容室内，在运输或安装过程中镀金层不会受损。标准变送器膜片或远传密封系统隔离膜片镀金层厚度通常为3 μm。膜片镀金如图2所示。

图2 膜片镀金示意

3 防氢渗透方案选择

目前国内还没有防止氢渗透的相关标准。美国标准API RP551《工艺测量》中要求首选不锈钢作为膜片基材，在下列情况下考虑膜片镀金： 湿硫化氢环境；腐蚀环境中的氢气；氢分压不小于621 kPa；当氢气存在时温度不小于43 ℃。

1)防止氢渗透有以下建议： 不使用电镀材质(例如铬)或镀锌元件；变送器本体法兰、阀组和管件应为不锈钢；变送器过程连接接口朝下，以避免湿气体积聚在膜片上；延长引压管线长度，使介质温度下降至环境温度；使用遮阳罩以降低变送器周围的环境温度。

2)石化行业主流变送器制造商对膜片镀金的工况有以下两种推荐做法：

a)根据工艺介质的氢气纯度、温度、压力综合判断，某制造商膜片镀金温压曲线如图3所示。

图3 某制造商推荐的膜片镀金温压曲线

b)氢气工况下温度大于180 ℃或压力大于2 MPa。

3)笔者建议选择316不锈钢作为变送器膜片基材，在下列情况下，在基材表面镀金： 临氢工况且氢分压不小于621 kPa；临氢工况且介质温度不小于43 ℃。

4)其他注意事项： 变送器本体法兰、阀组和管件材质选择316不锈钢；不使用电镀材质(例如铬)或镀锌元件；变送器过程连接接口朝下，避免湿气体积聚在膜片上；降低变送器周围的环境温度，例如使用遮阳罩。

4 结束语

在加氢装置工程设计中，应把工况进行分类分析，根据工况决定变送器隔离膜片是否需要镀金，既保证变送器准确测量，长周期有效工作，满足工艺装置长周期安全稳定运行的目标，也能防止隔离膜片全部镀金，造成浪费。