鍍金膜片型壓力變送器在煤氣化裝置中的應(yīng)用

曹 珩，凡友琴，王祿潤(rùn)，陳連和

(湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430074)

煤氣化是指煤或焦炭等固體燃料在高溫高壓條件下與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為合成氣(主要成分為氫氣及一氧化碳)和少量殘?jiān)倪^(guò)程。合成氣經(jīng)過(guò)變壓吸附后可提純出氫氣，因此煤氣化是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)。煤氣化的核心部件是反應(yīng)器造氣爐，根據(jù)國(guó)家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三[2013]3號(hào)文件對(duì)于新型煤化工工藝反應(yīng)的自控方案建議需要嚴(yán)格監(jiān)控反應(yīng)器造氣爐的壓力參數(shù)，確保生產(chǎn)安全。為了保障造氣合成效率，目前常見(jiàn)的造氣爐工況均為高溫高壓工況且合成氣中氫氣含量較高；因此造氣工況會(huì)造成壓力儀表的測(cè)量膜片出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力變送器出現(xiàn)測(cè)量誤差甚至損壞儀表。為此采用新型的鍍金膜片型壓力變送器，可以防止氫氣滲透的影響，有效解決上述問(wèn)題。

1 氫脆現(xiàn)象簡(jiǎn)介

氫是自然界最小的原子，本身不具備腐蝕性但是滲透能力極強(qiáng)。由于氫原子的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬原子，因此在高溫高壓作用下氫氣可以解離成氫原子并滲透進(jìn)入金屬材料的晶格點(diǎn)陣的間隙位置。這一滲透過(guò)程主要經(jīng)歷如下步驟[1]：(1)氫氣(H2)與金屬材料(M)表面發(fā)生碰撞，此時(shí)金屬材料(M)表面物理吸附微量氫氣(H2)形成混合物(H2M)，即H2+M→H2M。(2)混合物(H2M)與金屬材料(M)外表面繼續(xù)反應(yīng)，形成吸附著在金屬外表面的氫原子(HadM)，這一過(guò)程被稱(chēng)為化學(xué)吸附過(guò)程，并且高溫高壓的條件可促進(jìn)化學(xué)吸附過(guò)程，即H2M+M→2HadM。(3)當(dāng)金屬材料(M)外表面吸附氫原子(HadM)達(dá)到飽和后會(huì)逐步溶解擴(kuò)散，形成滲透在材料內(nèi)部原子氫(MHad)，即HadM→MHad。(4)環(huán)境溫度和壓力降低后原子氫(MHad)逐步析出，在金屬材料(M)內(nèi)部重組成氫分子(H2)，即2HadM→2M+H2。由于氫分子的尺寸遠(yuǎn)大于氫原子，因此氫分子殘留在金屬材料內(nèi)部無(wú)法“逃逸”，金屬材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致材料脆化；這種情況被稱(chēng)為氫脆現(xiàn)象。

2 氫脆現(xiàn)象對(duì)壓力變送器的影響

壓力變送器是一種將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制和遠(yuǎn)傳的設(shè)備[2]，其核心元件是單晶硅諧振式傳感器及測(cè)量膜盒。壓力變送器工作時(shí)測(cè)量膜盒的測(cè)量膜片接觸測(cè)量介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量膜片內(nèi)側(cè)密封灌充的硅油傳導(dǎo)液將測(cè)量壓力傳遞到微型真空腔體的彈性元件(諧振梁)上，導(dǎo)致彈性元件發(fā)生微小形變位移，其位移程度與壓力成正比關(guān)系。壓力變送器通過(guò)單晶硅諧振式傳感器及微處理器將形變位移程度轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA遠(yuǎn)傳電信號(hào)，可用于測(cè)量介質(zhì)壓力。為了減少傳遞過(guò)程中的壓力損耗并防止受到測(cè)量介質(zhì)腐蝕，一般選擇采用具有一定彈性和防腐蝕性能的金屬薄壁材料(厚度介于40～80μm之間，各設(shè)備供貨商略有不同)制作成測(cè)量膜片，常見(jiàn)的測(cè)量膜片材質(zhì)有316L不銹鋼、哈氏合金、鉭、鈦等諸多類(lèi)型。由于測(cè)量膜片厚度不足0.1mm，常規(guī)的壓力變送器在惡劣工況(高溫高壓且存在較高濃度氫氣的場(chǎng)合)下極易出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象并受到影響，導(dǎo)致測(cè)量膜片韌性退化失去彈性，出現(xiàn)空腔鼓包或者裂紋[3]。隨著時(shí)間推移氫分子甚至可以穿透測(cè)量膜片進(jìn)入隔離硅油傳導(dǎo)液，出現(xiàn)氣泡增加了壓力傳遞過(guò)程中的損耗，還會(huì)直接干擾壓力變送器的測(cè)量效果，導(dǎo)致壓力變送器零點(diǎn)漂移、輸出不穩(wěn)定，出現(xiàn)測(cè)量誤差令壓力測(cè)量參數(shù)波動(dòng)，更為嚴(yán)重的情況下甚至損壞儀表造成事故發(fā)生。

3 煤氣化裝置工況下壓力變送器測(cè)量膜片的選型

3.1 工藝狀況簡(jiǎn)介

3.2 壓力變送器測(cè)量膜片的選型

氣化爐壓力參數(shù)直接關(guān)系到造氣工段穩(wěn)定運(yùn)行和安全生產(chǎn)，是操作過(guò)程自動(dòng)化控制中的一個(gè)重要工藝指標(biāo)。它直接參與了氣化爐安全聯(lián)鎖停車(chē)動(dòng)作，因此壓力儀表選型需要得到重視，選擇技術(shù)可靠且使用壽命較長(zhǎng)的儀表來(lái)確保采集有效準(zhǔn)確的工藝參數(shù)。氣化爐壓力測(cè)量基本選型采用壓力變送器得到諸多設(shè)計(jì)單位及用戶企業(yè)的共識(shí)，但是忽視氫脆現(xiàn)象、不注意壓力變送器測(cè)量膜片選型的案例時(shí)有發(fā)生，這種情況需要引起重視并值得深思。

根據(jù)相關(guān)資料，目前常見(jiàn)的氣流床造氣爐測(cè)點(diǎn)處工況溫度參數(shù)為250℃，工況壓力參數(shù)為3.75MPa，合成氣中氫氣含量不低于30%(摩爾分?jǐn)?shù))，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(chǎng)合，即流體最高操作溫度超過(guò)200℃且流體中氫分壓超過(guò)0.7MPa的工藝環(huán)境[5]。高溫臨氫場(chǎng)合下金屬設(shè)備極易發(fā)生氫脆現(xiàn)象，并且隨著環(huán)境溫度、壓力及氫氣濃度的增加，氫脆現(xiàn)象會(huì)愈加顯著(其中環(huán)境溫度是最為關(guān)鍵的影響因素)。因此造氣爐壓力變送器的測(cè)量膜片需要具備防止氫氣滲透的功能，減小氫脆現(xiàn)象的影響。

由于金具備細(xì)密的晶格點(diǎn)陣，因此氫不易滲透或溶解在金材料內(nèi)部。此外金是非常穩(wěn)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(duì)這種特性，目前全球諸多知名的壓力變送器供應(yīng)商(日本橫河、日本富士電機(jī)、美國(guó)霍尼韋爾)研發(fā)了鍍金膜片型壓力變送器，通過(guò)鍍金涂層可以對(duì)測(cè)量膜片形成保護(hù)膜，有效隔離并防止氫氣滲透，從而顯著降低了氫脆現(xiàn)象的影響。該工藝采用高溫長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)技術(shù)，在壓力變送器隔離膜片(材質(zhì)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)[6]。這種雙層鍍膜質(zhì)地致密均勻、堅(jiān)固耐腐、不受應(yīng)力影響，鍍層極薄(通常不足3μmm)不影響測(cè)量精度，較之純金膜片造價(jià)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(chǎng)合下長(zhǎng)期使用。這種新式的壓力變送器在煤造氣行業(yè)已得到逐步推廣，根據(jù)企業(yè)反饋結(jié)果使用性能和儀表壽命明顯優(yōu)于普通的壓力變送器。

4 結(jié)語(yǔ)

合理對(duì)壓力儀表選型，是確保生產(chǎn)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(yè)(如加氫、制氫裝置)的高溫臨氫場(chǎng)合，為類(lèi)似工程壓力儀表選型及設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。