氢气渗入差压变送器封液的故障原因和防治

摘要：分析差压变送器氢气渗入封液故障的机理和来源，列举若干应用故障案例后，针对性地提出在仪表结构设计方面和应用工程设计安装布置方面的膜片渗透防治措施。
1、引言
差压变送器金属膜片常见由流体引起的故障有：膜片腐蚀；氢气渗透膜片；氢脆破裂。文中讨论氢气渗透膜片进入封液的故障。
2O世纪90年代曾有报告称加拿大某炼油厂测量高压氢气的差压变送器出现膜片鼓起的故障现象，且故障率很高；80年代也出现过带远传密封隔离膜组的差压变送器测量与隔离膜接触的150℃蒸汽，使用一年后检查呈零点大幅漂移，指击膜片发出“亢亢”声的故障现象；还有出现量程变化、线性劣化的事例，以及使用时工作还正常，一旦从现场卸下检查，即呈现膜片鼓起或破裂(气体透过膜片溶解于封液，内压升高，一旦静压消失溶解气体逸出，使体积增加所致)。
2、氢气渗透机理和来源
研究表明即使是测量蒸汽，溶解于封液的气体也是氢气。氢气在金属储罐常温条件下没有足够能量是不会渗透逸出的。但氢原子或氢离子获得足够能量，如在高温高压氢分子分解成氢原子，在静压推动下于膜片金属原子问来回渗透，一旦进入膜片内表面，和未离子化封液混合，结合成较大氢分子，缓慢地积聚成氢气，直至内压增加到与静压平衡。这样氢气就透过了无缺陷的膜片，原理如图1所示。
分析氢气来源有内部和外部两种途径：
a)内部源。内部氢气源有可能是从膜合组金属构件和封液两种材料中逸出。横河电机曾对此作逸出实验，将不同金属试片在80℃硅油中加温采集，证明SUS316(0Crl7Nil2Mo2)，SUS304(0Crl8Nig)，哈氐合金C一276，铝均无氢气逸出，却发现从SUS430(1Crl7)和镍中逸出。硅油封液由其制造商实验，结论是“在一定使用温度范围内，硅油不会热分解”。因此只要选用合适材料，就可排除出自内部源氢气，在采用新构件材料和封液前必须作气体逸出实验。

若硅油过使用温度范围，在分解出氢气的同时伴随析出甲烷气，因此可通过气体色谱分析仪判断出是内部封液产生的气体，还是外部源气体。
b)外部源。因变送器内部的氢气源在制造设计已予排除，一般不会产生氢气，因此在流程使用中氢气的来源应重视外部因素。前文提到氢气必须获得足够能量，才能透过膜片。能量的获得通常由热力学能所赋予，如图2所示的高温高压氢气；电化学能所赋予，如异金属接触偶合电解电流，腐蚀反应过程，其他杂散电流，当电子流入膜片，在其表面被测液电气分解产生H，以其反应能量推动氢气渗透，进入封液。

3、典型案例
3.1高温氢气渗透
文献表明400℃以上高温氢气会渗透金属，但流程工业常见高于室温低于100℃的氢气将如何变化?
石油精炼厂加氢脱硫装置2台流量差压变送器所测保温9O℃70氢气，运行10个月，压力6MPa，渗透1.5mL，另一台压力5.8MPa，渗透0.9mL。
脱硫装置相近使用条件有A、B场所(见表1)，场所A镀金膜片9O℃，氢气渗透量为零；场所B未处理膜片常温，氢气渗透量亦为零。实例验证常温下氢气不会渗透膜片，镀金膜片能阻挡90℃氢气渗透。

3.2高温蒸汽腐蚀渗透氢气
带膜片密封远传装置差压变送器如图3所示，装于电厂脱氢器以测量水位，高压侧膜片与常温冷凝纯水接触，运行1年表面锃亮，无氢气渗透；低压侧与170℃蒸汽接触，1年后表面呈青黑色，氢气渗透0.1mL。金属材料腐蚀称此现象系150℃以上高温蒸汽全面腐蚀SUS316L所致。横河公司按电厂使用介质条件，配置pH9.5微碱性水175℃蒸汽在实验室实测450h，腐蚀失重约0.0004mg／cm，而在15O℃则无腐蚀。为保证安全，确定130℃以上蒸汽需采取膜片镀金措施。
后来将低压侧按图4所示改装，膜片也与冷凝水接触，隔离高温蒸汽，运行8年保持正常。

图5a)所示是另-150℃、1.3MPa蒸汽流量测量场所，也发生氢气渗透膜片故障。在另一电厂类似使用场所，只是膜片如图5b)所示处于垂直位置，却无渗透现象，因膜片上凝结水向下流淌，不会象图5a)所示水平膜片潴留凝结水，产生腐蚀以致氢气渗透。

3.3异种金属电池氢气渗透
用于测量冷却海水流量的差压变送器，运行4年6个月差压传感膜盒组高、低压侧分别有0.9mL和1.1mL氢气渗进，其原因是镀锌碳钢引压管与SUS316L膜片问组成异金属电池所致。
其后引压管与变送器间接入聚四氟乙烯管绝缘，1年间检查运行正常，但2年后再次出现输出异常，有氢气渗进。检查发现塑料管内壁有附着层破坏绝缘所致。后改用易清除附着层形状的塑料接头排除保障，效果良好。
4、防治措施
考察上文氢气渗透膜片成因的实例，是从变送器方和使用方两个方面采取防治措施，变送器在制造设计上提高抗氢气渗透能力，使用上在工程设计仪表安装排除会产生故障的源头。针对高温氢气、高温蒸汽腐蚀、异种金属电池三种机理所形成的氢气渗透和防治归纳如表2所示。

差压变送器除膜片镀金提高抗氢气渗透外，还有镀金外层再涂陶瓷层隔离电子的层隔离膜片。