臨氫工況差壓變送器隔離膜片防氫滲透工程設計

林洪俊，邱學，孫來寶

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

加氫工藝是近年來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，經常發生壓力或差壓變送器投用時運行正常，但一段時間后出現不明原因的故障，具體表現為精度逐漸下降，以至不能使用。將變送器拆卸校驗，表現為性能嚴重變差，不能使用。檢查變送器外觀，發現故障嚴重的膜片發生外凸。根據經驗得知，上述故障是由于變送器發生了氫滲透現象。下面重點分析發生氫滲透的原因和場合。

1 問題及分析

1.1 發生氫滲透的原因

變送器的隔離膜片為不銹鋼材質。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構，而當氫分子分裂成2個氫離子時，則氫離子因尺寸小則能夠穿透隔離膜片的晶格結構。當到達隔離膜片的另一側時，氫離子重組為氫分子。同樣，由于氫分子尺寸大無法穿透隔離膜片返回，會被困在變送器的填充液中，氫分子將逐漸溶解于填充液中，隨著時間的推移，填充液飽和并會形成氫氣泡。氫氣泡會破壞壓力輸入和輸出之間的對應關系，降低變送器的性能。在嚴重情況下，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，隔離膜片開裂，填充液通過裂紋，泄漏到工藝介質中，導致變送器完全失效。氫滲透示意如圖1所示。

圖1 氫滲透示意

1.2 發生氫滲透的場合

在加氫裝置臨氫工況下，高溫或高壓時氫分子互相碰撞和變形破裂，氫分子分裂為氫離子，會出現氫滲透現象。

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，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，但是其晶格結構松散，應避免使用。鉭材質抗腐蝕性比316不銹鋼更好，但容易發生氫脆，因此也應避免使用。

2)膜片表面鍍金。膜片鍍金應首選在面向工藝介質側鍍金，更有利于防氫滲透。但遠傳密封系統隔離膜片在填充液側鍍金，這樣可以防止鍍金層在運輸或安裝過程中受損。標準變送器膜片在工藝介質側鍍金，膜片在變送器容室內，在運輸或安裝過程中鍍金層不會受損。標準變送器膜片或遠傳密封系統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

目前國內還沒有防止氫滲透的相關標準。美國標準API RP551《工藝測量》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： 濕硫化氫環境；腐蝕環境中的氫氣；氫分壓不小于621 kPa；當氫氣存在時溫度不小于43 ℃。

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

2)石化行業主流變送器制造商對膜片鍍金的工況有以下兩種推薦做法：

a)根據工藝介質的氫氣純度、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；臨氫工況且介質溫度不小于43 ℃。

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

4 結束語

在加氫裝置工程設計中，應把工況進行分類分析，根據工況決定變送器隔離膜片是否需要鍍金，既保證變送器準確測量，長周期有效工作，滿足工藝裝置長周期安全穩定運行的目標，也能防止隔離膜片全部鍍金，造成浪費。