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        臨氫工況差壓變送器隔離膜片防氫滲透工程設(shè)計(jì)

        2021-09-23 02:20:02林洪俊邱學(xué)孫來寶
        石油化工自動(dòng)化 2021年5期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼工藝

        林洪俊,邱學(xué),孫來寶

        (中石油華東設(shè)計(jì)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(jīng)常發(fā)生壓力或差壓變送器投用時(shí)運(yùn)行正常,但一段時(shí)間后出現(xiàn)不明原因的故障,具體表現(xiàn)為精度逐漸下降,以至不能使用。將變送器拆卸校驗(yàn),表現(xiàn)為性能嚴(yán)重變差,不能使用。檢查變送器外觀,發(fā)現(xiàn)故障嚴(yán)重的膜片發(fā)生外凸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知,上述故障是由于變送器發(fā)生了氫滲透現(xiàn)象。下面重點(diǎn)分析發(fā)生氫滲透的原因和場(chǎng)合。

        1 問題及分析

        1.1 發(fā)生氫滲透的原因

        變送器的隔離膜片為不銹鋼材質(zhì)。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(jié)構(gòu),而當(dāng)氫分子分裂成2個(gè)氫離子時(shí),則氫離子因尺寸小則能夠穿透隔離膜片的晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)竭_(dá)隔離膜片的另一側(cè)時(shí),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(huì)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(shí)間的推移,填充液飽和并會(huì)形成氫氣泡。氫氣泡會(huì)破壞壓力輸入和輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,降低變送器的性能。在嚴(yán)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(zhì)中,導(dǎo)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(fā)生氫滲透的場(chǎng)合

        在加氫裝置臨氫工況下,高溫或高壓時(shí)氫分子互相碰撞和變形破裂,氫分子分裂為氫離子,會(huì)出現(xiàn)氫滲透現(xiàn)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(zhì),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(jié)構(gòu)松散,應(yīng)避免使用。鉭材質(zhì)抗腐蝕性比316不銹鋼更好,但容易發(fā)生氫脆,因此也應(yīng)避免使用。

        2)膜片表面鍍金。膜片鍍金應(yīng)首選在面向工藝介質(zhì)側(cè)鍍金,更有利于防氫滲透。但遠(yuǎn)傳密封系統(tǒng)隔離膜片在填充液側(cè)鍍金,這樣可以防止鍍金層在運(yùn)輸或安裝過程中受損。標(biāo)準(zhǔn)變送器膜片在工藝介質(zhì)側(cè)鍍金,膜片在變送器容室內(nèi),在運(yùn)輸或安裝過程中鍍金層不會(huì)受損。標(biāo)準(zhǔn)變送器膜片或遠(yuǎn)傳密封系統(tǒng)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(nèi)還沒有防止氫滲透的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。美國標(biāo)準(zhǔn)API RP551《工藝測(cè)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(huán)境;腐蝕環(huán)境中的氫氣;氫分壓不小于621 kPa;當(dāng)氫氣存在時(shí)溫度不小于43 ℃。

        1)防止氫滲透有以下建議: 不使用電鍍材質(zhì)(例如鉻)或鍍鋅元件;變送器本體法蘭、閥組和管件應(yīng)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(zhì)溫度下降至環(huán)境溫度;使用遮陽罩以降低變送器周圍的環(huán)境溫度。

        2)石化行業(yè)主流變送器制造商對(duì)膜片鍍金的工況有以下兩種推薦做法:

        a)根據(jù)工藝介質(zhì)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(zhì)溫度不小于43 ℃。

        4)其他注意事項(xiàng): 變送器本體法蘭、閥組和管件材質(zhì)選擇316不銹鋼;不使用電鍍材質(zhì)(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(huán)境溫度,例如使用遮陽罩。

        4 結(jié)束語

        在加氫裝置工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)把工況進(jìn)行分類分析,根據(jù)工況決定變送器隔離膜片是否需要鍍金,既保證變送器準(zhǔn)確測(cè)量,長周期有效工作,滿足工藝裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo),也能防止隔離膜片全部鍍金,造成浪費(fèi)。

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