曹珩，凡友琴，王禄润，陈连和
摘 要:
煤气化是煤炭清洁高效转化的核心技术，其核心部件是造气炉。造气炉压力属于煤气化工艺中的重要监控参数，但其工况属于高温高压场合，会导致常规压力变送器的测量膜片出现氢脆现象。本文概述氢脆现象的基本情况，并提出解决措施。采用镀金膜片型压力变送器，可以防止高温高压工况下氢气对膜片的渗透，有效解决了造气炉压力测量的问题。
煤气化是指煤或焦炭等固体燃料在高温高压条件下与气化 剂反应，转化为合成气( 主要成分为氢气及一氧化碳) 和少量残渣的过程。合成气经过变压吸附后可提纯出氢气，因此煤气化 是煤炭清洁高效转化的核心技术。煤气化的核心部件是反应 器造气炉，根据国家安全监管总局安监总管三［2013］3 号文件对于新型煤化工工艺反应的自控方案建议需要严格监控反应 器造气炉的压力参数，确保生产安全。为了保障造气合成效 率，目前常见的造气炉工况均为高温高压工况且合成气中氢气 含量较高; 因此造气工况会造成压力仪表的测量膜片出现氢脆现象，导致压力变送器出现测量误差甚至损坏仪表。为此采用 新型的镀金膜片型压力变送器，可以防止氢气渗透的影响，有 效解决上述问题。
一、氢脆现象简介
氢是自然界最小的原子，本身不具备腐蚀性但是渗透能力极强。由于氢原子的尺寸远远小于金属原子，因此在高温高压作用下氢气可以解离成氢原子并渗透进入金属材料的晶格点阵的间隙位置。这一渗透过程主要经历如下步骤:
( 1) 氢气( H2 ) 与金属材料( M) 表面发生碰撞，此时金属材料( M) 表面物理吸附微量氢气( H2 ) 形成混合物( H2M) ，即 H2 + M →H2M。
( 2) 混合物( H2M) 与金属材料( M) 外表面继续反应，形成吸附着在金属外表面的氢原子( HadM) ，这一过程被称为化学吸附过程，并且高温高压的条件可促进化学吸附过程，即 H2M+M→2HadM。
( 3) 当金属材料( M) 外表面吸附氢原子( HadM) 达到饱和后会逐步溶解扩散，形成渗透在材料内部原子氢( MHad) ， 即 Had M→MHad 。
( 4) 环境温度和压力降低后原子氢( MHad ) 逐步析出，在金属材料( M) 内部重组成氢分子( H2 ) ，即 2HadM→ 2M+H2。由于氢分子的尺寸远大于氢原子，因此氢分子残留在金属材料内部无法“逃逸”，金属材料内部会出现裂纹导致材料脆化; 这种情况被称为氢脆现象。
二、氢脆现象对压力变送器的影响
压力变送器是一种将压力信号转化成电动信号进行控制和远传的设备，其核心元件是单晶硅谐振式传感器及测量膜盒。压力变送器工作时测量膜盒的测量膜片接触测量介质，通过测量膜片内侧密封灌充的硅油传导液将测量压力传递到微型真空腔体的弹性元件( 谐振梁) 上，导致弹性元件发生微小形变位移，其位移程度与压力成正比关系。压力变送器通过单晶硅谐振式传感器及微处理器将形变位移程度转变为4～20mA 远传电信号，可用于测量介质压力。为了减少传递过程中的压力损耗并防止受到测量介质腐蚀，一般选择采用具有一定弹性和防腐蚀性能的金属薄壁材料( 厚度介于40～80μm之间，各设备供货商略有不同) 制作成测量膜片，常见的测量膜片材质有316L不锈钢、哈氏合金、钽、钛等诸多类型。由于测量膜片厚度不足 0.1mm，常规的压力变送器在恶劣工况( 高温高压且存在较高浓度氢气的场合) 下极易出现氢脆现象并受到影响，导致测量膜片韧性退化失去弹性，出现空腔鼓包或者裂纹。随着时间推移氢分子甚至可以穿透测量膜片进入隔离硅油传导液， 出现气泡增加了压力传递过程中的损耗，还会直接干扰压力变送器的测量效果，导致压力变送器零点漂移、输出不稳定，出现测量误差令压力测量参数波动，更为严重的情况下甚至损坏仪表造成事故发生。
三、煤气化装置工况下压力变送器测量膜片的选型
3．1 工艺状况简介
工业煤气化技术为保障连续化不间断生产、提高合成气产 量规模，通常是在造气炉中以水作为气化剂，在高温高压条件 令煤炭与水蒸气发生反应生成合成气( 主要成分为氢气及一氧化碳，此外含有少量二氧化碳及其它微量杂质) ，主要反应方程式是 C + H2 O 幑幐CO + H2及C +2H2O 幑幐CO2+2H2 。随着技术不断改进，目前大规模煤气化技术主要分成三种技术方案，即气流床气化技术、流化床气化技术及固定床气化技术［4］， 其核心部件是造气炉。以德士古( Texaco) 、壳牌( Shell) 为代表的气流床造气炉技术可靠、工艺成熟，具备转化效率高、自动化生产连续性好、产量稳定、煤种适应范围广泛等诸多优点，是目前煤气化技术发展和应用的主流趋势。根据相关企业的自控方案，气化炉上有诸多仪表测点( 如温度、压力、流量等) ，需要采集压力参数并远传至造气装置的自控系统中。
3.2 压力变送器测量膜片的选型
气化炉压力参数直接关系到造气工段稳定运行和安全生 产，是操作过程自动化控制中的一个重要工艺指标。它直接参与了气化炉安全联锁停车动作，因此压力仪表选型需要得到重视，选择技术可靠且使用寿命较长的仪表来确保采集有效准确的工艺参数。气化炉压力测量基本选型采用压力变送器得到 诸多设计单位及用户企业的共识，但是忽视氢脆现象、不注意 压力变送器测量膜片选型的案例时有发生，这种情况需要引起 重视并值得深思。
根据相关资料，目前常见的气流床造气炉测点处工况温度参数为250℃,工况压力参数为3.75MPa，合成气中氢气含量不低于30%( 摩尔分数)，则合成气中氢气分压不小于1.125MPa(3.75MPa×30%=1.125MPa)。该工况属于高温临氢场合，即流体最高操作温度超过 200℃ 且流体中氢分压超过0.7MPa的工艺环境。高温临氢场合下金属设备极易发生氢脆现象,并且随着环境温度、压力及氢气浓度的增加，氢脆现象会愈加显著(其中环境温度是最为关键的影响因素)。因此造气炉压力变送器的测量膜片需要具备防止氢气渗透的功能，减小氢脆现 象的影响。
由于金具备细密的晶格点阵，因此氢不易渗透或溶解在金材料内部。此外金是非常稳定的金属元素，具备良好的抗腐蚀 性能及延展性，可以制作成极薄的抗腐蚀涂层。针对这种特性，目前全球诸多知名的压力变送器供应商( 日本横河、美国霍尼韦尔、美国麦德胜) 研发了镀金膜片型压力变送器，通过镀金涂层可以对测量膜片形成保护膜，有效隔离并防止氢气渗透，从而显著降低了氢脆现象的影响。该工艺采用高温长时间烧结技术，在压力变送器隔离膜片(材质为316L奥氏体不锈钢)表层镀上一层黄金镀层( 减少氢渗透作用)，黄金镀层基面再镀上一层陶瓷镀膜(用于隔离氢)。这种双层镀膜质地致密均匀、坚固耐腐、不受应力影响，镀层极薄( 通常不足3μmm) 不影响测量精度，较之纯金膜片造价低廉且性能不受影响。采用镀金膜片型压力变送器，能够满足煤造气装置造气炉的工艺要求，适宜于高温临氢场合下长期使用。这种新式的压力变送器在煤造气行业已得到逐步推广，根据企业反馈结果使用性能和仪表寿命明显优于普通的压力变送器。
四、结 语
合理对压力仪表选型，是确保生产安全的重要手段。本文提及的镀金膜片型压力变送器也适用于石化行业( 如加氢、制氢装置)的高温临氢场合，为类似工程压力仪表选型及设计提供一定的参考和借鉴。
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