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        鍍金膜片型壓力變送器在煤氣化裝置中的應用


        曹珩,凡友琴,王祿潤,陳連和



        摘  要:     

               煤氣化是煤炭清潔高效轉化的核心技術,其核心部件是造氣爐。造氣爐壓力屬于煤氣化工藝中的重要監控參數,但其工況屬于高溫高壓場合,會導致常規壓力變送器的測量膜片出現氫脆現象。本文概述氫脆現象的基本情況,并提出解決措施。采用鍍金膜片型壓力變送器,可以防止高溫高壓工況下氫氣對膜片的滲透,有效解決了造氣爐壓力測量的問題。


               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,轉化為合成氣( 主要成分為氫氣及一氧化碳) 和少量殘渣的過程。合成氣經過變壓吸附后可提純出氫氣,因此煤氣化 是煤炭清潔高效轉化的核心技術。煤氣化的核心部件是反應 器造氣爐,根據國家安全監管總局安監總管三[2013]3 號文件對于新型煤化工工藝反應的自控方案建議需要嚴格監控反應 器造氣爐的壓力參數,確保生產安全。為了保障造氣合成效 率,目前常見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; 因此造氣工況會造成壓力儀表的測量膜片出現氫脆現象,導致壓力變送器出現測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 效解決上述問題。


        MDSGP/DP系列智能壓力變送器.png


        一、氫脆現象簡介

               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。由于氫原子的尺寸遠遠小于金屬原子,因此在高溫高壓作用下氫氣可以解離成氫原子并滲透進入金屬材料的晶格點陣的間隙位置。這一滲透過程主要經歷如下步驟: 

        ( 1) 氫氣( H2 ) 與金屬材料( M) 表面發生碰撞,此時金屬材料( 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) 外表面繼續反應,形成吸附著在金屬外表面的氫原子( HadM) ,這一過程被稱為化學吸附過程,并且高溫高壓的條件可促進化學吸附過程,即 H2M+M→2HadM。

        ( 3) 當金屬材料( M) 外表面吸附氫原子( HadM) 達到飽和后會逐步溶解擴散,形成滲透在材料內部原子氫( MHad) , 即 Had M→MHad 。

        ( 4) 環境溫度和壓力降低后原子氫( MHad ) 逐步析出,在金屬材料( M) 內部重組成氫分子( H2 ) ,即 2HadM→ 2M+H2。由于氫分子的尺寸遠大于氫原子,因此氫分子殘留在金屬材料內部無法“逃逸”,金屬材料內部會出現裂紋導致材料脆化; 這種情況被稱為氫脆現象。


        二、氫脆現象對壓力變送器的影響

              壓力變送器是一種將壓力信號轉化成電動信號進行控制和遠傳的設備,其核心元件是單晶硅諧振式傳感器及測量膜盒。壓力變送器工作時測量膜盒的測量膜片接觸測量介質,通過測量膜片內側密封灌充的硅油傳導液將測量壓力傳遞到微型真空腔體的彈性元件( 諧振梁) 上,導致彈性元件發生微小形變位移,其位移程度與壓力成正比關系。壓力變送器通過單晶硅諧振式傳感器及微處理器將形變位移程度轉變為4~20mA 遠傳電信號,可用于測量介質壓力。為了減少傳遞過程中的壓力損耗并防止受到測量介質腐蝕,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,各設備供貨商略有不同) 制作成測量膜片,常見的測量膜片材質有316L不銹鋼、哈氏合金、鉭、鈦等諸多類型。由于測量膜片厚度不足 0.1mm,常規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合) 下極易出現氫脆現象并受到影響,導致測量膜片韌性退化失去彈性,出現空腔鼓包或者裂紋。隨著時間推移氫分子甚至可以穿透測量膜片進入隔離硅油傳導液, 出現氣泡增加了壓力傳遞過程中的損耗,還會直接干擾壓力變送器的測量效果,導致壓力變送器零點漂移、輸出不穩定,出現測量誤差令壓力測量參數波動,更為嚴重的情況下甚至損壞儀表造成事故發生。


        三、煤氣化裝置工況下壓力變送器測量膜片的選型

        3.1 工藝狀況簡介

              工業煤氣化技術為保障連續化不間斷生產、提高合成氣產 量規模,通常是在造氣爐中以水作為氣化劑,在高溫高壓條件 令煤炭與水蒸氣發生反應生成合成氣( 主要成分為氫氣及一氧化碳,此外含有少量二氧化碳及其它微量雜質) ,主要反應方程式是 C + H2 O 幑幐CO + H2及C +2H2O 幑幐CO2+2H2 。隨著技術不斷改進,目前大規模煤氣化技術主要分成三種技術方案,即氣流床氣化技術、流化床氣化技術及固定床氣化技術[4], 其核心部件是造氣爐。以德士古( Texaco) 、殼牌( Shell) 為代表的氣流床造氣爐技術可靠、工藝成熟,具備轉化效率高、自動化生產連續性好、產量穩定、煤種適應范圍廣泛等諸多優點,是目前煤氣化技術發展和應用的主流趨勢。根據相關企業的自控方案,氣化爐上有諸多儀表測點( 如溫度、壓力、流量等) ,需要采集壓力參數并遠傳至造氣裝置的自控系統中。

        3.2 壓力變送器測量膜片的選型

               氣化爐壓力參數直接關系到造氣工段穩定運行和安全生 產,是操作過程自動化控制中的一個重要工藝指標。它直接參與了氣化爐安全聯鎖停車動作,因此壓力儀表選型需要得到重視,選擇技術可靠且使用壽命較長的儀表來確保采集有效準確的工藝參數。氣化爐壓力測量基本選型采用壓力變送器得到 諸多設計單位及用戶企業的共識,但是忽視氫脆現象、不注意 壓力變送器測量膜片選型的案例時有發生,這種情況需要引起 重視并值得深思。

               根據相關資料,目前常見的氣流床造氣爐測點處工況溫度參數為250℃,工況壓力參數為3.75MPa,合成氣中氫氣含量不低于30%( 摩爾分數),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合,即流體最高操作溫度超過 200℃ 且流體中氫分壓超過0.7MPa的工藝環境。高溫臨氫場合下金屬設備極易發生氫脆現象,并且隨著環境溫度、壓力及氫氣濃度的增加,氫脆現象會愈加顯著(其中環境溫度是最為關鍵的影響因素)。因此造氣爐壓力變送器的測量膜片需要具備防止氫氣滲透的功能,減小氫脆現 象的影響。

               由于金具備細密的晶格點陣,因此氫不易滲透或溶解在金材料內部。此外金是非常穩定的金屬元素,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。針對這種特性,目前全球諸多知名的壓力變送器供應商( 日本橫河、美國霍尼韋爾、美國麥德勝) 研發了鍍金膜片型壓力變送器,通過鍍金涂層可以對測量膜片形成保護膜,有效隔離并防止氫氣滲透,從而顯著降低了氫脆現象的影響。該工藝采用高溫長時間燒結技術,在壓力變送器隔離膜片(材質為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)。這種雙層鍍膜質地致密均勻、堅固耐腐、不受應力影響,鍍層極薄( 通常不足3μmm) 不影響測量精度,較之純金膜片造價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,適宜于高溫臨氫場合下長期使用。這種新式的壓力變送器在煤造氣行業已得到逐步推廣,根據企業反饋結果使用性能和儀表壽命明顯優于普通的壓力變送器。


        四、結 語

               合理對壓力儀表選型,是確保生產安全的重要手段。本文提及的鍍金膜片型壓力變送器也適用于石化行業( 如加氫、制氫裝置)的高溫臨氫場合,為類似工程壓力儀表選型及設計提供一定的參考和借鑒。



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