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(chǎng)合，會(huì)導(dǎo)致常規(guī)壓力變送器的測(cè)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(duì)膜片的滲透，有效解決了造氣爐壓力測(cè)量的問(wèn)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(guò)程。合成氣經(jīng)過(guò)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(guó)家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三［2013］3 號(hào)文件 對(duì)于新型煤化工工藝反應(yīng)的自控方案建議需要嚴(yán)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(jiàn)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(huì)造成壓力儀表的測(cè)量膜片出現(xiàn)氫脆 現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力變送器出現(xiàn)測(cè)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(wèn)題。
1 氫脆現(xiàn)象簡(jiǎn)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(qiáng)。由于氫原子的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)入金屬材料的晶格點(diǎn) 陣的間隙位置。這一滲透過(guò)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(shí)金屬材料( M) 表面物 理吸附微量氫氣( H2 ) 形成混合物( H2M) ，即 H2 + M→H2M。
( 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(guò)程被稱為化學(xué)吸附過(guò)程，并且高溫高壓的條件可促進(jìn)化學(xué)吸附過(guò)程，即 H2M + M→2HadM。
( 3) 當(dāng)金屬材料( M) 外表面吸附氫原子( HadM) 達(dá)到 飽和后會(huì)逐步溶解擴(kuò)散，形成滲透在材料內(nèi)部原子氫( MHad) ， 即 HadM→MHad。
( 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 2Had M→2M + H2。由于氫分子的尺寸遠(yuǎn)大于氫原子，因此氫分子殘留在 金屬材料內(nèi)部無(wú)法“逃逸”，金屬材料內(nèi)部會(huì)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(duì)壓力變送器的影響
壓力變送器是一種將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制和遠(yuǎn)傳的設(shè)備［2］，其核心元件是單晶硅諧振式傳感器及測(cè)量膜 盒。壓力變送器工作時(shí)測(cè)量膜盒的測(cè)量膜片接觸測(cè)量介質(zhì)，通 過(guò)測(cè)量膜片內(nèi)側(cè)密封灌充的硅油傳導(dǎo)液將測(cè)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(guò)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)?4 ～ 20mA遠(yuǎn)傳電信號(hào)，可用于測(cè)量介質(zhì)壓力。為了減少傳遞過(guò)程中的壓 力損耗并防止受到測(cè)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(cè)量膜片，常見(jiàn)的測(cè)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(cè)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(chǎng)合) 下極易出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象并受到影響，導(dǎo)致 測(cè)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(shí)間推移氫分子甚至可以穿透測(cè)量膜片進(jìn)入隔離硅油傳導(dǎo)液， 出現(xiàn)氣泡增加了壓力傳遞過(guò)程中的損耗，還會(huì)直接干擾壓力變 送器的測(cè)量效果，導(dǎo)致壓力變送器零點(diǎn)漂移、輸出不穩(wěn)定，出現(xiàn) 測(cè)量誤差令壓力測(cè)量參數(shù)波動(dòng)，更為嚴(yán)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(cè)量膜片的選型
3． 1 工藝狀況簡(jiǎn)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 + H2O CO + H 幑幐 2 及 C + 2H2O CO 幑幐 2 + 2H2。隨著 技術(shù)不斷改進(jìn)，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(dòng)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(diǎn)，是目 前煤氣化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主流趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的自控 方案，氣化爐上有諸多儀表測(cè)點(diǎn)( 如溫度、壓力、流量等) ，需要 采集壓力參數(shù)并遠(yuǎn)傳至造氣裝置的自控系統(tǒng)中。
3． 2 壓力變送器測(cè)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(yùn)行和安全生 產(chǎn)，是操作過(guò)程自動(dòng)化控制中的一個(gè)重要工藝指標(biāo)。它直接參 與了氣化爐安全聯(lián)鎖停車動(dòng)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(zhǎng)的儀表來(lái)確保采集有效準(zhǔn)確的工藝參數(shù)。氣化爐壓力測(cè)量基本選型采用壓力變送器得到 諸多設(shè)計(jì)單位及用戶企業(yè)的共識(shí)，但是忽視氫脆現(xiàn)象、不注意 壓力變送器測(cè)量膜片選型的案例時(shí)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(jiàn)的氣流床造氣爐測(cè)點(diǎn)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?jǐn)?shù)) ，則合成氣中氫氣分壓不小于 1． 125MPa( 3． 75MPa × 30% = 1． 125MPa) 。該工況屬于高溫臨氫場(chǎng)合，即 流體非常高操作溫度超過(guò) 200℃ 且流體中氫分壓超過(guò) 0． 7MPa 的 工藝環(huán)境［5］。高溫臨氫場(chǎng)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(huì)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(cè)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(xì)密的晶格點(diǎn)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(duì)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(jī)、美國(guó)霍尼韋爾) 研發(fā)了鍍金膜片型壓力變送器，通過(guò)鍍 金涂層可以對(duì)測(cè)量膜片形成保護(hù)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(zhǎng)時(shí)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(jiān)固耐腐、不受應(yīng)力影響，鍍層極薄( 通常不足 3μmm) 不影響測(cè)量精度，較之純金膜片造價(jià)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(chǎng)合下長(zhǎng)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(yǔ)
合理對(duì)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(chǎng)合，為類似工程壓力儀表選型及設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。
