摘要：水煤漿氣化爐激冷室液位測(cè)量一直是困擾設(shè)計(jì)和用戶的一個(gè)難題 ，針對(duì)4 家不 同工廠使用的雙法蘭液位計(jì)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(duì)比。針對(duì)膜片的破裂 、內(nèi)凹和鼓包現(xiàn)象 ，對(duì)以往磨損 ，氫脆，負(fù)壓等現(xiàn)象造成膜片損壞的觀點(diǎn)做了分析探討。對(duì)不銹鋼膜片的破裂提出了膜片焊縫處的氫腐蝕觀點(diǎn) ，對(duì)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(jì)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(diǎn)，并對(duì)長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行了論述，對(duì)隔離膜片的選型和維護(hù)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(cè)量是關(guān)系到氣化裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行和操作的重要參數(shù)，該液位計(jì)的選型與操作維護(hù)關(guān)系重大，目前各工廠水煤漿氣化爐激冷室液位測(cè)量的選型基本采用雙法蘭差壓液位計(jì)⋯，但不同的設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)人員、用戶單位 ，在選擇雙法蘭液位計(jì) 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(duì) 以往磨損 ，真空 J、氫脆 等現(xiàn)象造 成膜片損壞 的觀點(diǎn)做了分析探討，發(fā)現(xiàn)這些觀點(diǎn)不足以解釋這些故障表征，為此，本文對(duì)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(duì)氫腐蝕和氫滲透 的發(fā)生過程及作用對(duì)象 做了說明 ，對(duì)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(jì)選型和維護(hù)的建議。
1 工藝工況簡(jiǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)象。
經(jīng)過激冷水的降溫，激冷室液位計(jì)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(jì) 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(cè)量膜片故障調(diào)查
水煤漿氣化爐激冷室雙法蘭液位計(jì)普遍用的不好，目前在該場(chǎng)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(jì)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(gè)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(jì)可以看出，316L 膜 片使用期#短，易開裂，基本上就是 6 個(gè)月的使用壽命。加厚型316L 略有延長(zhǎng)，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(zhǎng)，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(qiáng)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(shí)已轉(zhuǎn)化為氫腐蝕。溫度太低時(shí)也不發(fā)生 ，因?yàn)榇藭r(shí)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(zhǎng)期 與高溫、高壓 氫氣接 觸時(shí)，氫原子或氫分子會(huì)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(shí) ，稱為表面脫碳 ，發(fā)生在鋼材 內(nèi)部時(shí) ，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(duì)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(kuò)散出去，而聚積在晶粒間形成局部高壓 ，造成應(yīng)力集 中，進(jìn)而使 鋼材產(chǎn)生微裂 紋或鼓泡 ，致使鋼材的強(qiáng)度及韌性下降。
4 膜片故障的傳統(tǒng)觀點(diǎn)分析
對(duì)于激冷室液位計(jì) 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(diǎn)
灰漿磨損的觀點(diǎn)shou先是針對(duì) 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(zhǎng)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(diǎn)
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(duì)氫脆有較為良好的耐受能力，在高溫下，氫脆會(huì)轉(zhuǎn)化為氫腐蝕。而雙法蘭液位計(jì)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(huì)從膜片內(nèi)部再次出來 ，而 316L 又是硬度相對(duì)較小的金屬 ，其彈性較好 ，因此 ，氫脆現(xiàn)象不會(huì)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(duì)還好。在這種情況下 ，本文認(rèn)為不是氫脆對(duì)膜片造成了傷害，而是在高溫下，氫腐蝕對(duì)焊縫造成了損傷，焊接時(shí)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(huì)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(duì)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(duì) 液位計(jì) 測(cè)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(duì)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(duì) 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(shí)間不是很長(zhǎng) ，對(duì)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(jì)都具有較強(qiáng)的耐負(fù)壓能力 ，對(duì)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(jì)拆下來后 ，應(yīng)該能夠把膜片按壓回去 ，但實(shí)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(huì)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(huì)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(huì)溢出，金屬 內(nèi)部的 CH 會(huì)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(gè)局部出現(xiàn)鼓泡 ，而是整個(gè) 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(hào)硅油就是二甲基硅油 ，其 閃點(diǎn)為 300 ℃ ，而液位計(jì)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(gè) 工 廠 的普遍現(xiàn)象 。
③如果是產(chǎn)生了硅油蒸汽 ，在液位計(jì)拆下檢修時(shí) ，溫度重新回歸常溫 ，硅油蒸汽應(yīng)該冷凝 回液態(tài) ，這時(shí)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(shí) 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(gè)元素 ，是 自然界 中#小的原子 ，而氫離子實(shí)際上就是謘hou印Ｇ舛越鶚艟?有很強(qiáng)的滲透和穿透能力，氫脆和氫腐蝕也是因?yàn)闅湓拥臐B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(jìn)入了硅油中，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)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(gè)氫氣的存在解 釋了膜片鼓包并且無法 回彈的現(xiàn)象 ，因?yàn)闅錃獗幻芊庠?了雙法蘭液位計(jì) 的毛細(xì)管中。
這個(gè) 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(diǎn) ，事實(shí)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(zhǎng)期使用后膜片鼓包的主要 因素 。
5 對(duì)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(jìn)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(jì)還有下一步現(xiàn)象 ，當(dāng)壓力小 于 1．0 M Pa 時(shí) ，測(cè)量無反應(yīng) ，當(dāng)壓力大于 1．0 M Pa 時(shí)，其測(cè)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(shí)實(shí)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(gè) 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(jìn)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(jìn)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(zhǎng)期的高溫環(huán)境下，進(jìn)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(gè)甲基 ，變成了二 甲基含氫硅油 ，從分子式上來說 ，以一個(gè)氫替代 了一個(gè) 甲基 CH 3- ，相對(duì)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(duì)密度 為0．963 ，二甲基含氫硅油相對(duì)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(duì)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(huì) 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(shí)壓力作用下的彈性形變 ，因此會(huì)出現(xiàn)小于 1．0 M Pa 時(shí)壓力 ，雙法蘭液位計(jì)無反應(yīng) ，當(dāng)壓力大于 1．0 M Pa 時(shí)，該壓力照樣通過毛細(xì)管傳至變送器的測(cè)量室中，因此 ，在壓力大于 1．0 M Pa 時(shí)變送器反應(yīng)基本正常。這個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn) ，還有一個(gè)游離態(tài) 的甲基 C H f 溶解在硅油中，隨著時(shí)間的推移 ，進(jìn)入硅油 中的氫會(huì)置換出越來越多的甲基 ，該 甲基與后來再進(jìn)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(jì)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(gè)星期一進(jìn)行一次定期沖洗 ，其它時(shí)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(shí)際工作溫度是低于 247 oC 工藝操作溫度的。山東 A 用戶測(cè)量膜片的實(shí)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(shí)間一直是 220 ℃ ，也就是說，B 用戶該液位計(jì)處氫氣的活性是遠(yuǎn)大于山東 A 用戶的，A 用戶的液位計(jì)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(shí)間的推移，置換 出甲基與后來再進(jìn)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(cè)量不準(zhǔn)有堵塞情況發(fā)生時(shí)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(duì)儀表選型及現(xiàn)場(chǎng)操作的建議
6．1 設(shè)計(jì)選型建議
對(duì)于氣化爐激冷室雙法蘭液位變送器的測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)主流 的設(shè)計(jì)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(zhǎng)使用壽命 ，還影響膜片的彈性 ，同時(shí)還容易發(fā)生氫脆或氫腐蝕而變脆 ，進(jìn)一步影響彈性及測(cè)量效果。
⑤建議隔離膜片宜采用 316L + 鍍金材質(zhì)。
6．2 現(xiàn)場(chǎng)操作維護(hù)建議
對(duì)于氫對(duì)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(duì)使用周期 的延長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)共贏