胡 刚 杜征波
在某公司汽提法尿素生产工艺中，精馏塔是一个非常重要的设备，其主要作用是在一定的温度(135～178℃) 和压力(0.4MPa)下，将甲铵液进一步分解脱水生成尿素。但由于尿素、甲铵液介质易结晶、易固化等原因，广泛使用双法兰带毛细管的差压变送器( 以下简称毛细管变送器) 来测量压力和液位。由于受被测介质高温、高压及强腐蚀等工况的影响，这些毛细管变送器易损坏，在精馏塔上的使用寿命都不长，最短的仅有几个月，对生产装置的安全运行极为不利。曾经发生过因毛细管变送器故障，长时间输出满偏的假液位信号，自调回路中的调节阀全开，将精馏塔液位排空导致设备窜气的生产事故。目前还没有更好的手段来代替这种检测方式，为保证装置正常运行，笔者对毛细管变送器损坏原因进行分析，并提出解决措施。
一、毛细管变送器损坏原因剖析
1、1 故障现象
该公司尿素精馏塔的液位测量都采用双法兰毛细管差压变送器，但经过长短不等的运行时间，毛细管变送器都会出现大致相同的故障现象: 仪表指示满偏、指示不准或指示波动变化大等问题。所以每年大修时，都要拆检精馏塔毛细管变送器。经检查，几乎无一例外地都会发现，毛细管变送器的气相波纹膜片已损坏，要么变薄破裂，填充液渗漏，要么只剩法兰体，波纹膜片不知去向，但液相波纹膜片却完好无损。
1、2 气相膜片损坏的原因
最初怀疑是变送器膜片的质量问题，更换不同的知名变送器品牌和材料( 316L、哈氏合金及钽材等) ，但结果还是出现相同的现象: 气相膜片损坏，液相膜片完好。
于是作者研究了毛细管变送器气相与液相的工况区别，气相法兰安装在精馏塔分离器上部，液相法兰安装在分离器下部，当分离器满液时，两者都被甲铵液尿素熔液所浸没，唯一的区别就是液面高度不同而产生的压力差，生产过程中，有可能会出现满液的情况，这也属于正常工作范围。当液面下降，低于气相法兰时，一方面液面波动的冲击力会使气相膜片变形更大，另一方面甲铵液和尿素熔液很容易在气相膜片上形成结晶并硬化，坚硬的结晶物会损伤膜片，同时气相比液相温度更高，腐蚀也更严重，膜片减薄也就更快，而膜片是感压元件，其厚度一般在 0.4 ～ 0.5mm，如果被测介质有很强的腐蚀性，即使选用合适的防腐蚀材料做膜片，经过长时间使用，膜片的钝化层会被破坏，腐蚀也是无法避免的，再加上高温高压介质长期冲刷，膜片会越来越薄，最终膜片就很容易破裂，填充液也会渗漏掉，气相膜片也就不能准确灵敏地测量气相的压力变化了。而毛细管变送器液相法兰安装在分离器下部，膜片一直浸没在液体中，没有结晶也没有液面波动的冲击力和冲刷腐蚀，温度也比气相低了近40℃，其减薄的速度相较气相来说很缓慢，可以正常使用很多年而不损坏。
二、改进措施
通过以上分析，总结毛细管变送器气相膜片损坏的三大根本原因是:
a． 高温介质甲铵液尿素熔液的强腐蚀性;
b． 甲铵液和尿素易结晶固化;
c． 分离器内液面波动的冲击力和冲刷作用。
针对这3点原因，笔者分别采取相应的措施加以改进。
用聚四氟乙烯膜保护膜片，减缓介质对气相膜片的腐蚀。在新毛细管变送器安装之前，用厚度为0.2mm 的聚四氟乙烯膜，按变送器法兰的直径尺寸剪一块圆形的膜备用，然后在气相膜片上均匀涂抺一点高温润滑脂，再把备用的圆形聚四氟乙烯膜松驰无张力的贴到气相膜片上，这样就隔绝了介质跟气相膜片的直接接触，可有效地减缓介质对波纹膜片的腐蚀。用蒸汽冷凝液消融气相膜片上的结晶物。双法兰毛细管变送器的膜片是感压元件，只有保持膜片因压力变化而产生自由形变的特性，变送器才能正常工作。但在尿素精馏塔的工况下，气相膜片上很容易形成甲铵和尿素的结晶物，若不及时消融，随着时间的推移，结晶物会越结越多并固化，严重阻碍膜片对压力的传导，毛细管双法兰变送器也就无法正常准确地测量液位的变化了。为此，选用316L 材料的不锈钢板加工了一个厚度为18mm，内直径比气相膜片稍大的过渡环，在其正上方开一个8mm 的导淋孔，其尺寸图如图 1 所示。
图 1 过渡环尺寸图
在安装毛细管变送器气相法兰时，将过渡环安放在设备法兰与变送器法兰之间，并保持导淋孔在正上方。投入使用后，从导淋孔注入成线状的蒸汽冷凝液细流，由于甲铵和尿素结晶物有遇水即融的特性，这样气相膜片上就不会有结晶物了。用过渡环片阻挡液面波动的冲击冲刷力。工况条件下，精馏塔分离器内的液面是很不平静的。在汽提汽流的作用下，里面的液体介质上下翻滚，液面形成浪涌不断冲击气相法兰的波纹膜片，加之温度又高，膜片本身又薄，只有0.4 ～ 0.5mm，在连续不断的冲击冲刷下，膜片逐渐减薄。与此同时，随着压力的瞬息变化，膜片也处在不停的形变中，会产生金属疲劳。当膜片薄到一定程度，承受不住压力或液面波动的冲击力时，就会破裂，甚至慢慢从法兰上剥落，填充液也会渗漏掉，毛细管变送器也就不能正常工作，准确测量液位变化了。为此，在加工过渡环时，特意将它设计成瓶盖状，其正面底板厚度为 5mm。为了气相正常引压，在过渡环内侧底板底部，也就是冷凝液导淋孔正下方，开了3个8mm的引压孔，这样一来，压力可以无阻碍地传导至气相波纹膜片上，但因为过渡环有底板的存在，液面的冲击冲刷力被底板阻挡卸除了，作用不到膜片上，对膜片的损伤也就不存在了。
三、实践验证
在该公司生产装置一次大修时( 2016 年) ，按计划对三期尿素精馏塔测量液位的双法兰毛细管变送器，在气相法兰上作了以上3项改进。大修后装置开车投用至今，变送器工作一切正常，这远远超过以往最多正常工作半年的时间。并且，变送器对精馏塔液位变化反应也很灵敏、准确，与调节阀组成的自调回路，可以根据工艺需要，将液位平稳控制在测量范围内的任一高度，为装置安全高效生产提供了可靠的测控保障。
四、结束语
双法兰毛细管差压变送器在化工生产中使用较为广泛，因工况不同而出现的故障也千差万别，作者专门针对气相膜片损坏的故障现象，作了缜密的原因剖析，找准了波纹膜片损坏的根源，并分别作了针对性的应用改进措施，解决了气相膜片损坏的问题。在化工生产中，介质易结晶的工况很多，不管是测压力还是测液位，都可试着按此思路和方法，加以改进应用。
:
:
:
:
:
