摘要：水煤漿氣化爐激冷室液位測量一直是困擾設(shè)計和用戶的一個難題 ，針對4 家不 同工廠使用的雙法蘭液位計隔離膜片的材質(zhì)、使用周期及故障表征做了詳細(xì)的綜合對比。針對膜片的破裂 、內(nèi)凹和鼓包現(xiàn)象 ，對以往磨損 ，氫脆，負(fù)壓等現(xiàn)象造成膜片損壞的觀點做了分析探討。對不銹鋼膜片的破裂提出了膜片焊縫處的氫腐蝕觀點 ，對鍍金膜片的故障分析，尤其是發(fā)現(xiàn)鍍金膜片在無泄漏發(fā)生條件下出現(xiàn)的內(nèi)凹現(xiàn)象 ，提出了在高溫條件下，由于合成氣和激冷水中的氫滲透穿過了液位計隔離膜片而與變送器毛細(xì)管中的硅油發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)生成含氫硅油造成硅油體積減少的觀點，并對長時期使用后硅油中的甲基(cH )與氫反應(yīng)產(chǎn)生甲烷(CH )氣體造成隔離膜片鼓包的過程進行了論述，對隔離膜片的選型和維護給出了建議。
煤氣化是煤化工 中的龍頭裝置 ，其 中氣化爐又是氣化裝置的核心設(shè)備 ，氣化爐激冷室液位測量是關(guān)系到氣化裝置安全穩(wěn)定運行和操作的重要參數(shù)，該液位計的選型與操作維護關(guān)系重大，目前各工廠水煤漿氣化爐激冷室液位測量的選型基本采用雙法蘭差壓液位計⋯，但不同的設(shè)計單位、設(shè)計人員、用戶單位 ，在選擇雙法蘭液位計 隔離膜片的形式上又各有差異 ，使用效果和故 障表征也各有不同。對 以往磨損 ，真空 J、氫脆 等現(xiàn)象造 成膜片損壞 的觀點做了分析探討，發(fā)現(xiàn)這些觀點不足以解釋這些故障表征，為此，本文對不同膜片的故障分別做了討論 ，不銹鋼膜片主要是焊縫處的破裂 ，鍍金膜片的故障主要是膜片內(nèi)凹或鼓包 ，癥狀不 同，主 因也不同 ，對氫腐蝕和氫滲透 的發(fā)生過程及作用對象 做了說明 ，對氫元素與硅油的化學(xué)反應(yīng)及后果做 了論述說明并給出了液位計選型和維護的建議。
1 工藝工況簡述
氣化爐燃燒室溫度為 1 300 ℃ ，高溫合成 氣、飛灰 、熔融灰渣從氣化爐渣 口經(jīng)降氣管進入激冷室液面下，高溫的合稱氣、飛灰、熔融灰渣在降氣管內(nèi)被激冷水膜迅速降溫至大約 300 ℃，然后進人激冷室液面下 ，部分飛灰溶解在激冷水中，熔融灰渣則被固化并沉降到激冷室底部并#終排至鎖斗，合成氣則在激冷室 冷卻后從 上步 出 口進入 下一工序 J。其操作壓 力根據(jù)不 同的用戶各有不 同，一般有 4．0 ，6．5 ，8．7 M Pa 壓力的氣化爐，文中以常用的 6．5 M Pa氣化爐為主要討論對象。
經(jīng)過激冷水的降溫，激冷室液位計的操作溫度大約在 220_ 270 ℃之間，溫度和壓力都較高。出爐膛粗合成氣主要成分為 H：，CO 和 CO：，其中氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為 35％ ，所 以，激冷室液位計 的正常操作工況下 ，溫度為 247 oC ，壓力為6 ．5 M Pa ，其 中氫分壓為 2．275 M Pa。
2 激冷室液位測量膜片故障調(diào)查
水煤漿氣化爐激冷室雙法蘭液位計普遍用的不好，目前在該場合主要使用的隔離膜片有以下幾種：316L 膜片、加厚 316L 膜片、金 剛膜片 、316L + 鍍金膜片 、加厚 316L + 鍍金膜片。雙法蘭差壓液位計見圖 1 ，隔離膜片和導(dǎo)壓毛細(xì)管 內(nèi)填充硅油 ：
為了查出原 因，調(diào)研 了山東 A 用戶 ，陜西 B 和c 用戶 ，寧夏 D 用戶等共 4 個氣化裝置工廠的具體使用情況和具體故障表征，具體情況如表 1 所示 。
從表 1 調(diào)查統(tǒng)計可以看出，316L 膜 片使用期#短，易開裂，基本上就是 6 個月的使用壽命。加厚型316L 略有延長，意義不 明顯 ，且有硬脆現(xiàn)象 。金剛膜片雖然耐磨，但在本工況下并沒有改善。鍍金膜片使用周期#長，不開裂，但有內(nèi)凹或鼓包現(xiàn)象發(fā)生。
3 氫脆 、氫腐蝕和金屬鼓泡
氫脆：在高溫、高壓下分子氫部分分解成原子氫，或者在濕酸性腐蝕環(huán)境中經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)生成氫原子，這些氫原子滲透到鋼內(nèi)部后，使鋼晶粒間原子結(jié)合力降低，表現(xiàn)為鋼材的延伸率、斷面收縮率降低，強度也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫氫脆。高溫下不發(fā)生氫脆 ，此時已轉(zhuǎn)化為氫腐蝕。溫度太低時也不發(fā)生 ，因為此時氫不具備大量滲入金屬 晶格 內(nèi)的活性 。
氫腐蝕 ：是指 鋼材長期 與高溫、高壓 氫氣接 觸時，氫原子或氫分子會與鋼中的碳化物(滲碳體)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 甲烷 (Fe c + 2H 一3Fe + C H ) ，當(dāng)這樣的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在鋼材 的表面時 ，稱為表面脫碳 ，發(fā)生在鋼材 內(nèi)部時 ，稱為內(nèi)部脫碳。內(nèi)部脫碳和外部脫碳統(tǒng)稱為氫腐蝕。
對于鋼材 內(nèi)部 的內(nèi)部脫碳 ，由于生成的甲烷氣體不能從鋼中擴散出去，而聚積在晶粒間形成局部高壓 ，造成應(yīng)力集 中，進而使 鋼材產(chǎn)生微裂 紋或鼓泡 ，致使鋼材的強度及韌性下降。
4 膜片故障的傳統(tǒng)觀點分析
對于激冷室液位計 的故障分析 ，通常有灰漿磨損 、氫脆 、負(fù)壓工況等幾種解釋 ，下面結(jié)合前 面的具體故障表征來具體討論 。
4．1 灰漿磨損 的觀點
灰漿磨損的觀點shou先是針對 316L 材質(zhì)的膜片破裂來說 的，山東 A 用戶 為抗磨 損 ，采用 了金 剛膜片 ，應(yīng)該說大大地提高 了膜片的耐磨性能 ，但它的使用周期基本上沒有多少提高，使用周期長的都是鍍金膜片，而黃金又是各種膜片中#軟的材質(zhì) ，民間金匠常用牙咬的方式來判斷黃金的成色 。因此 ，灰漿磨損導(dǎo)致膜片破裂是不成立 的。
4．2 氫脆損壞的觀點
氫脆是在常溫下的現(xiàn)象 ，3 16L 為含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 0．03％的超低碳奧氏體不銹鋼 ，對氫脆有較為良好的耐受能力，在高溫下，氫脆會轉(zhuǎn)化為氫腐蝕。而雙法蘭液位計的膜片非常薄，一般為 0．1mm 厚，因此 ，氫原子難以滯留在膜片內(nèi)部 ，更多地會從膜片內(nèi)部再次出來 ，而 316L 又是硬度相對較小的金屬 ，其彈性較好 ，因此 ，氫脆現(xiàn)象不會是主因。
在表 1 中，可以看出 ，各家采用 316L 膜片 的都出現(xiàn)膜片破裂情況 ，這又如何解釋呢? 問題 的關(guān)鍵是 ，我們注意到膜片破裂并沒有發(fā)生在膜片 中間，而是發(fā)生在膜片焊接處，更準(zhǔn)確地說應(yīng)該是焊接處開裂 ，膜片相對還好。在這種情況下 ，本文認(rèn)為不是氫脆對膜片造成了傷害，而是在高溫下，氫腐蝕對焊縫造成了損傷，焊接時的高溫容易造成金屬在焊接影響區(qū)形成碳化物堆積 ，在激冷室液位的高溫和高氫分壓的作用下，造成焊接影響區(qū)脫碳形成 CH 氣體，CH 氣體在焊縫內(nèi)部形成巨大的內(nèi)部應(yīng)力，在該應(yīng)力的作用下造成 了焊縫開裂。這種情況在鍍金膜片中就不會發(fā)生 ，因此 ，作者沒有看到一家鍍金膜片發(fā)生開裂情況。
對于加厚型 316L ，發(fā)現(xiàn)它不單單出現(xiàn)焊接處開裂，還出現(xiàn)了膜片變硬的現(xiàn)象，作者認(rèn)為雖然其含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 0 ．03％ ，但并非沒有⋯ 。由于膜片有了足夠的厚度，能夠容納足夠的氫原子并在高溫下發(fā)生氫腐蝕造成膜片硬化 。另外 ，由于膜片加厚 ，導(dǎo)致膜片彈性變差 ，對 液位計 測量 的精 度也 是有 影響的。
4．3 鍍金膜片的外凸鼓包現(xiàn)象
針對鍍金膜片的外凸鼓包現(xiàn)象，一般有 4 種解釋 ：
第 1 種認(rèn)為是在氣化爐開車烘爐階段 ，有一段抽真空的負(fù)壓置換 階段 ，在負(fù)壓 的作用下造成 了隔離膜 片的外 凸鼓包 J。對 于這 種解 釋 ，提 出如下質(zhì)疑：
①如何解釋在 山東 A 用戶 和陜西 C 用戶 出現(xiàn)的膜片內(nèi)凹現(xiàn)象 ，開車負(fù)壓工況持續(xù)時間不是很長 ，對大家都一樣 ，為什么有的外凸，有的內(nèi)凹?
② 目前這些知名品牌的雙法蘭液位計都具有較強的耐負(fù)壓能力 ，對于氣化爐開車負(fù)壓 的承受力應(yīng)該是沒有 問題的。
③如果是開車負(fù)壓造成 了膜片鼓包 ，那么一定在膜片硅油側(cè)形成了一定 的真空 ，在液位計拆下來后 ，應(yīng)該能夠把膜片按壓回去 ，但實際情況是膜片無法 回彈，在這種情況下 ，一定是膜片硅油側(cè)填充液的體積增大造成的而絕不會是負(fù)壓造成的。
第 2 種認(rèn)為鍍金膜片的鼓包是氫脆或氫腐蝕的表現(xiàn) ，shou先 ，前面已經(jīng)說到了氫脆是氫原子滲透到鋼內(nèi)部后 ，使鋼 晶粒間原子結(jié)合力降低 ，降低金屬韌性而變脆 ，氫脆是不會產(chǎn)生鼓泡或鼓包現(xiàn)象的。在氫腐蝕的作用下 ，金 屬脫碳 產(chǎn)生 CH 氣體 ，金 屬表面的 CH 會溢出，金屬 內(nèi)部的 CH 會造成金屬裂紋或鼓泡 ，但作者注意到 ，故障現(xiàn)象不是膜片某個局部出現(xiàn)鼓泡 ，而是整個 隔離膜片在硅油側(cè) 的壓力下整體外凸鼓包屬于隔離膜片的彈性形變 ，不是鼓泡 ，這種看法混淆了鼓包和鼓泡的概念 。
第 3 種認(rèn)為是硅油在高溫下產(chǎn)生硅油蒸汽造成鼓包 ，但隨后產(chǎn)生了如下問題無法解釋 ：
①硅油蒸汽說只能解釋鼓包，同負(fù)壓一樣無法解釋膜片 內(nèi)凹現(xiàn)象 。
②按照常用的二甲基硅油，羅斯蒙特通常填充的 DC200 號硅油就是二甲基硅油 ，其 閃點為 300 ℃ ，而液位計的操作溫度為247 ℃，由于激冷水的存在，基本上不可能超過 270 oC ，即便 出現(xiàn) 了極偶然 的工況超過 了 300 ℃ ，也不 可 能成 為各個 工 廠 的普遍現(xiàn)象 。
③如果是產(chǎn)生了硅油蒸汽 ，在液位計拆下檢修時 ，溫度重新回歸常溫 ，硅油蒸汽應(yīng)該冷凝 回液態(tài) ，這時毛細(xì)管填充液應(yīng) 回歸初始體積 ，膜片在外力按壓下應(yīng)該能夠彈回，實 際上不能彈回。
第 4 種是以前認(rèn)為的#可能的解釋 J，即氫元素是元素周期表中的第 1 個元素 ，是 自然界 中#小的原子 ，而氫離子實際上就是謘hou印Ｇ舛越鶚艟?有很強的滲透和穿透能力，氫脆和氫腐蝕也是因為氫原子的滲透能力而產(chǎn)生的。在高溫環(huán)境下 的合成氣和激冷水中，部分氫元素以原子的狀態(tài)存在 ，雖然鍍金層質(zhì)地緊密，能夠#大程度地減少氫 的滲透 ，但終究不能完全阻止氫元素滲透并穿過了隔離膜片而進入了硅油中，經(jīng)過長時間的積累后 ，游離在硅油中的氫原子又重新結(jié) 合為 H ：，從 而在硅 油側(cè)產(chǎn)生 了氫氣 ，這個氫氣的存在解 釋了膜片鼓包并且無法 回彈的現(xiàn)象 ，因為氫氣被密封在 了雙法蘭液位計 的毛細(xì)管中。
這個 解釋在發(fā)現(xiàn)膜 片內(nèi) 凹前顯得極有 說服力 ，但發(fā)現(xiàn)山東 A 用戶的鍍金膜片 內(nèi)凹后 ，就 基本否定了這種觀點 ，事實上，在 山東 A 用戶幾乎 沒有出現(xiàn)過膜片鼓包現(xiàn)象 ，主要是內(nèi)凹現(xiàn)象 ，氫氣的形成不是長期使用后膜片鼓包的主要 因素 。
5 對隔離膜片內(nèi)凹及鼓包的分析
前面幾乎討論 了所有的可能性并否定 了這些的可能性 ，那么一定還有另外的因素，下面通過研究山東 A 用戶 的故障表征 ，來做進一步的推理和判斷。shou先 ，膜片內(nèi)凹表示硅油少了，但液位計還有下一步現(xiàn)象 ，當(dāng)壓力小 于 1．0 M Pa 時 ，測量無反應(yīng) ，當(dāng)壓力大于 1．0 M Pa 時，其測量精度又恢復(fù)了正常 ，外觀檢查也未發(fā)現(xiàn)漏油 ，因此 ，排 除了漏油 的可能性 ，既然沒有漏油 ，而硅油又實實在在的少了，硅油在密閉無泄漏的空間 內(nèi)去哪里 了? 當(dāng)這個 問題提出后 ，答案就指向發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)這非常好 的可能性上。在密閉的空間，在沒有其它反應(yīng)物的情況下 ，目標(biāo)又指向了氫元素，一定是在 247 ℃的高溫下，在 6 ．5 M Pa壓力下，在2．275 MPa 的氫分壓作用下，氫元素穿透了隔離膜片 ，進入 了硅油 中，與硅油反應(yīng) ，生成了體積更小 、密度更高的物質(zhì)，這是非常好的解釋。
下面進一步討論硅油到底變成了什么?
shou先 ，#常用的二 甲基硅油的分子式結(jié)構(gòu)如式（1）所示：
在長期的高溫環(huán)境下，進入硅油中的H取代二甲基硅油中的甲基，生成了新的物質(zhì)，即二甲基含氫硅油，分子式結(jié)構(gòu)如式（2）所示：
化學(xué)反應(yīng)式如（3）所示：
在化學(xué)反應(yīng)中，氫元素以氫鍵的方式替代了原二甲基硅油中的一個甲基 ，變成了二 甲基含氫硅油 ，從分子式上來說 ，以一個氫替代 了一個 甲基 CH 3- ，相對分子質(zhì)量是小 了，那二 甲基含氫硅油的密度是否也變小了呢? 恰恰相反 ，二 甲基硅油相對密度 為0．963 ，二甲基含氫硅油相對密度 ：0．995—1．0 15 ，也就是說 ，當(dāng)硅油變成 了含氫硅油后 ，其相對分子質(zhì)量雖然小 了，但其分子問距也變小了，其結(jié)果就是密度變大了，體積減小 了，這也就#終解釋了為什么會 出現(xiàn)膜片 內(nèi)凹 ，硅油體積減少 的現(xiàn)象。
在山東 A 用戶的使用中，隔離膜片 內(nèi)凹的這部分彈性形變正好就是正常膜片在 1．0 M Pa 時壓力作用下的彈性形變 ，因此會出現(xiàn)小于 1．0 M Pa 時壓力 ，雙法蘭液位計無反應(yīng) ，當(dāng)壓力大于 1．0 M Pa 時，該壓力照樣通過毛細(xì)管傳至變送器的測量室中，因此 ，在壓力大于 1．0 M Pa 時變送器反應(yīng)基本正常。這個理論解釋了膜片 內(nèi)凹，那又如何解釋其 它用戶工廠出現(xiàn)的膜片外凸現(xiàn)象呢? 通過上面的反應(yīng)式 (3)就會發(fā)現(xiàn) ，還有一個游離態(tài) 的甲基 C H f 溶解在硅油中，隨著時間的推移 ，進入硅油 中的氫會置換出越來越多的甲基 ，該 甲基與后來再進來 的氫元素反應(yīng)生成 甲烷 ，至 此 ，氣 體 產(chǎn) 生 ，其 化 學(xué) 反 應(yīng) 為 ：
CH ；+ H —c H 。甲烷氣體 的產(chǎn)生導(dǎo)致膜片開始從內(nèi)凹逐漸轉(zhuǎn)化為外凸鼓包 。
那么為什么山東 A 用戶使用 2 年后膜片內(nèi)凹，而其它工廠更多的發(fā)現(xiàn)使用 2 年后卻是膜片外凸。
通過前面的雙法蘭膜片故障表中，可 以看到山東A 用戶的液位計鋇4量膜片處的沖洗水是連續(xù)沖洗 ，而陜西 B 用戶的沖洗水是在每個星期一進行一次定期沖洗 ，其它時間都關(guān)掉了沖洗水。在有連續(xù)沖洗水的情況下 ，隔離膜片的實際工作溫度是低于 247 oC 工藝操作溫度的。山東 A 用戶測量膜片的實際操作溫度應(yīng)該是低于 200 ℃的，而陜西 B 用戶除每周一沖洗外的其它時間一直是 220 ℃ ，也就是說，B 用戶該液位計處氫氣的活性是遠(yuǎn)大于山東 A 用戶的，A 用戶的液位計使用了2 年，只是出現(xiàn)了內(nèi)凹，還未來得及產(chǎn)生甲烷氣體 ，而 B 用戶應(yīng)該有更多的氫元素穿過 了隔離膜片，應(yīng)該也是先出現(xiàn)內(nèi)凹，隨著時間的推移，置換 出甲基與后來再進來的氫元素反應(yīng)生成甲烷氣體 ，膜片也逐漸從內(nèi)凹轉(zhuǎn)平再轉(zhuǎn)為外凸，#終徹底無法使用。而陜西 C 用戶和寧夏 D 用戶為不定期沖洗 ，也就是感覺測量不準(zhǔn)有堵塞情況發(fā)生時才沖洗 ，并且其 65 kg的操作壓力也高于陜西 B 用戶 ，因此其使用環(huán)境更加惡劣，使用周期更短。
6 對儀表選型及現(xiàn)場操作的建議
6．1 設(shè)計選型建議
對于氣化爐激冷室雙法蘭液位變送器的測量膜片的選擇 ：
①避免采用普通 316L 膜片，容易破裂。
②避免使用加厚 316L 膜片，基本上效果不大，容易破裂 ，測量精度還受影響。只是由于其膜片加厚了，其膜片的焊接難度要小于普通膜片 ，因此使用周期略長于普通膜片。
③避免采用金剛膜片，耐磨不是問題所在。
④ 目前加厚 316L + 鍍金材質(zhì)是 國內(nèi)主流 的設(shè)計方案 ，但通過前面的討論 ，認(rèn)為加厚不是問題的關(guān)鍵所在，沒有證據(jù)顯示加厚能夠延長使用壽命 ，還影響膜片的彈性 ，同時還容易發(fā)生氫脆或氫腐蝕而變脆 ，進一步影響彈性及測量效果。
⑤建議隔離膜片宜采用 316L + 鍍金材質(zhì)。
6．2 現(xiàn)場操作維護建議
對于氫對膜片的滲透 ，只能采取措施減少而無法消除 ，建議 采用連續(xù)水 沖洗 ，水量 可 以開得較小 ，溫度 的降低對使用周期 的延長效果明顯。
7 結(jié) 論
不銹鋼隔離膜片的故障主因是膜片焊縫在氫腐蝕的作用下發(fā)生斷裂。鍍金膜片故障的主因是氫原子滲透穿過 隔離膜片 ，與硅油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成體積小 、密度高的含氫硅油造成膜片 內(nèi)凹。膜片鼓包是長時期使用后硅油中置換 出的 甲基 (cH ；)與氫反應(yīng)產(chǎn)生 甲烷 (CH )氣體造成。
關(guān)注我們 實現(xiàn)共贏