| 鍍金膜片型壓力變送器在煤氣化裝置中的應(yīng)用 |
| 信息來源： 鍍金膜片型壓力變送器 | 2022-10-11 點擊量： 4173 |
在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時代，缺少不了壓力變送器、流量計、液位計、密度計、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場第一數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個工業(yè)自動化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場最前沿的壓力變送器使用情況。
摘要:煤氣化是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，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(jiān)控參數(shù)，但其工況屬于高溫高壓場合，會導(dǎo)致常規(guī)壓力變送器的測量膜片出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。文章概述氫脆現(xiàn)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(yīng)，轉(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)化的核心技術(shù)。煤氣化的核心部件是反應(yīng)器造氣爐，根據(jù)國家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三［2013］3號文件對于新型煤化工工藝反應(yīng)的自控方案建議需要嚴格監(jiān)控反應(yīng)器造氣爐的壓力參數(shù)，確保生產(chǎn)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(xiàn)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力變送器出現(xiàn)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。
1氫脆現(xiàn)象簡介
氫是自然界非常小的原子，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(jīng)歷如下步驟［1］:
(1)氫氣(H2)與金屬材料(M)表面發(fā)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+MH2M。
(2)混合物(H2M)與金屬材料(M)外表面繼續(xù)反應(yīng)，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(xué)吸附過程，并且高溫高壓的條件可促進化學(xué)吸附過程，即H2M+M2HadM。
(3)當(dāng)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(nèi)部原子氫(MHad)，即HadMMHad。
(4)環(huán)境溫度和壓力降低后原子氫(MHad)逐步析出，在金屬材料(M)內(nèi)部重組成氫分子(H2)，即2HadM2M+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(nèi)部無法逃逸，金屬材料內(nèi)部會出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致材料脆化;這種情況被稱為氫脆現(xiàn)象。
2氫脆現(xiàn)象對壓力變送器的影響
壓力變送器是一種將壓力信號轉(zhuǎn)化成電動信號進行控制和遠傳的設(shè)備［2］，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(zhì)，通過測量膜片內(nèi)側(cè)密封灌充的硅油傳導(dǎo)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(dǎo)致彈性元件發(fā)生微小形變位移，其位移程度與壓力成正比關(guān)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(zhuǎn)變?yōu)?～20mA遠傳電信號，可用于測量介質(zhì)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(zhì)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(shè)備供貨商略有不同)制作成測量膜片，常見的測量膜片材質(zhì)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(guī)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(xiàn)氫脆現(xiàn)象并受到影響，導(dǎo)致測量膜片韌性退化失去彈性，出現(xiàn)空腔鼓包或者裂紋［3］。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(dǎo)液，出現(xiàn)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(dǎo)致壓力變送器零點漂移、輸出不穩(wěn)定，出現(xiàn)測量誤差令壓力測量參數(shù)波動，更為嚴重的情況下甚至損壞儀表造成事故發(fā)生。
3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(yè)煤氣化技術(shù)為保障連續(xù)化不間斷生產(chǎn)、提高合成氣產(chǎn)量規(guī)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(fā)生反應(yīng)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(zhì))，主要反應(yīng)方程式是C+H2OCO+H幑幐2及C+2H2OCO幑幐2+2H2。隨著技術(shù)不斷改進，目前大規(guī)模煤氣化技術(shù)主要分成三種技術(shù)方案，即氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)及固定床氣化技術(shù)［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(shù)可靠、工藝成熟，具備轉(zhuǎn)化效率高、自動化生產(chǎn)連續(xù)性好、產(chǎn)量穩(wěn)定、煤種適應(yīng)范圍廣泛等諸多優(yōu)點，是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主流趨勢。根據(jù)相關(guān)企業(yè)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(shù)并遠傳至造氣裝置的自控系統(tǒng)中。
3．2壓力變送器測量膜片的選型
氣化爐壓力參數(shù)直接關(guān)系到造氣工段穩(wěn)定運行和安全生產(chǎn)，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(lián)鎖停車動作，因此壓力儀表選型需要得到重視，選擇技術(shù)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(shù)。氣化爐壓力測量基本選型采用壓力變送器得到諸多設(shè)計單位及用戶企業(yè)的共識，但是忽視氫脆現(xiàn)象、不注意壓力變送器測量膜片選型的案例時有發(fā)生，這種情況需要引起重視并值得深思。
根據(jù)相關(guān)資料，目前常見的氣流床造氣爐測點處工況溫度參數(shù)為250℃，工況壓力參數(shù)為3．75MPa，合成氣中氫氣含量不低于30%(摩爾分數(shù))，則合成氣中氫氣分壓不小于1．125MPa(3．75MPa30%=1．125MPa)。該工況屬于高溫臨氫場合，即流體非常高操作溫度超過200℃且流體中氫分壓超過0．7MPa的工藝環(huán)境［5］。高溫臨氫場合下金屬設(shè)備極易發(fā)生氫脆現(xiàn)象，并且隨著環(huán)境溫度、壓力及氫氣濃度的增加，氫脆現(xiàn)象會愈加顯著(其中環(huán)境溫度是非常為關(guān)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(xiàn)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(nèi)部。此外金是非常穩(wěn)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(yīng)商(日本橫河、日本富士電機、美國霍尼韋爾)研發(fā)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(xiàn)象的影響。該工藝采用高溫長時間燒結(jié)技術(shù)，在壓力變送器隔離膜片(材質(zhì)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)［6］。這種雙層鍍膜質(zhì)地致密均勻、堅固耐腐、不受應(yīng)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(yè)已得到逐步推廣，根據(jù)企業(yè)反饋結(jié)果使用性能和儀表壽命明顯優(yōu)于普通的壓力變送器。
4結(jié)語
合理對壓力儀表選型，是確保生產(chǎn)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(yè)(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(shè)計提供一定的參考和借鑒。
儀器儀表是工業(yè)化進程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加自動化。
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