压力变送器的选型及应用—氢脆

随着石油化工产业的发展，特别是煤化工及其下游产业的发展，越来越多的工艺过程含有制氢、加氢装置，且这些装置的特点大多是化学反应过程含有高温、高压及高浓度的氢气。在这些装置的设计过程中，设计人员往往重点关注氢对设备材料的影响，而容易忽略氢对过程检测仪表的影响，特别是对压力变送器的影响。

目前压力变送器膜片的材质大多为316L、哈氏合金等，通过已投用项目的反馈，普通膜片材质(如316L)的压力变送器，在含有氢气介质的工艺装置上使用一段时间后，会出现输出不稳定、零点漂移等现象，有的甚至出现膜片鼓包、破裂等 。造成这些现象的原因主要是金属膜片由于氢渗透而产生的“氢脆”现象。

因此，在仪表设计选型的过程中除了按照相关规范选型外，还应考虑氢脆对压力变送器的影响，提高所选仪表运行的稳定性，保证装置的安全、平稳运行。

 Q1.氢脆现象

氢脆是指在金属中发生的一些过程，这些过程导致金属的承载能力因氢的出现而下降。但由于材料性能、加工工艺、环境、受力状态不同，各种现象有较大差异。

根据引起氢脆的氢的来源不同，氢脆可分成两大类：内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；环境氢脆，它是在应力和氢气或其他含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如储氢的压力容器中出现的高压氢脆。文中所要讨论的压力变送器膜片的氢脆属于第二类氢脆即环境氢脆，主要是在氢环境下，氢气分子在物理及化学作用下以氢原子的形式渗透变送器膜片而产生的氢脆。

 Q2.氢气渗透压力变送器膜片过程

 氢气虽然没有腐蚀作用，但是有*的渗透能力，即使在大气环境中氢也会以各种途径进入金属材料的晶格中，若在高温、高压和高浓度协同作用下，则会大幅加速氢的渗透能力。压力变送器中与介质接触的部分主要是膜片，通常膜片的厚度只有0．O4～O．08 illm，是变送器中bao薄弱的部分，因而压力变送器的氢脆现象主要表现在膜片上。

正常状态下氢气是以分子状态存在的，氢气分子不易渗透膜片，但当氢气变为氢原子后，因为氢原子半径很小，只有0．46 nm，因而在外力作用下能够渗透变送器的膜片。

由于氢分子比氢原子大得多，透过金属膜片的氢分子不会再透过膜片扩散回去。当透过金属膜片的氢气慢慢聚集后，变送器内腔的压力会逐渐增大，达到一定压力后使膜片外鼓变形直至破裂，造成变送器输出不稳，产生零点漂移甚至坏损。

Q3. 环境氢脆下压力变送器的选型

针对以上各种引发压力变送器膜片环境氢脆的原因，在压力变送器的选型过程中应结合具体的情况选择合适的压力变送器，特别是在膜片材质的选择、变送器的安装方式以及安装材料的选择方面采取相应的措施。

1)测量介质为氢气(氢气体积分数在70 ～100 ，温度在90~200℃)时，压力变送器的膜片

可选用镀金膜片 。因为金具有较密的晶格结构，氢原子不易渗透，研究表明选用316L镀金膜片的氢渗透量为非镀金316L膜片渗透量的0．01～0．02倍lg]。

2)测量介质为高温蒸汽时，压力变送器在安装时导压管线中需增加冷凝容器，增加冷凝容器后实际与压力变送器接触的介质不再是高温蒸汽。因此，在压力变送器的选型过程中选用常规的膜片材质即可，如316L。

在压力变送器的选型设计过程中，除了需按照相关的规范选择压力变送器外，还应考虑所测工艺介质是否会引发压力变送器膜片产生氢脆现象，并根据介质的情况，从压力变送器膜片材质的选择、安置方式的选择，安装材料的选择等方面采取相应的措施，确保所选压力变送器能够满足测量的要求并能够长期稳定运行。

针对这一现象，STS 多年来为巴斯夫、道达尔，贺尔碧格，中科院等单位提供镀金膜片压力变送器，为氢气的生产，研发和应用保驾护航。