摘要：水煤漿氣化爐激冷室液位測量一直是困擾設計和用戶(hù)的一個(gè)難題 ，針對4 家不 同工廠(chǎng)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的綜合對比。針對膜片的破裂 、內凹和鼓包現象 ，對以往磨損 ，氫脆，負壓等現象造成膜片損壞的觀(guān)點(diǎn)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(guān)點(diǎn) ，對鍍金膜片的故障分析，尤其是發(fā)現鍍金膜片在無(wú)泄漏發(fā)生條件下出現的內凹現象 ，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(guò)了液位計隔離膜片而與變送器毛細管中的硅油發(fā)生了化學(xué)反應生成含氫硅油造成硅油體積減少的觀(guān)點(diǎn)，并對長(cháng)時(shí)期使用后硅油中的甲基(cH )與氫反應產(chǎn)生甲烷(CH )氣體造成隔離膜片鼓包的過(guò)程進(jìn)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備 ，氣化爐激冷室液位測量是關(guān)系到氣化裝置安全穩定運行和操作的重要參數，該液位計的選型與操作維護關(guān)系重大，目前各工廠(chǎng)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⋯，但不同的設計單位、設計人員、用戶(hù)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 等現象造 成膜片損壞 的觀(guān)點(diǎn)做了分析探討，發(fā)現這些觀(guān)點(diǎn)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(guò)程及作用對象 做了說(shuō)明 ，對氫元素與硅油的化學(xué)反應及后果做 了論述說(shuō)明并給出了液位計選型和維護的建議。
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(chēng)氣、飛灰、熔融灰渣在降氣管內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 力根據不 同的用戶(hù)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(guò)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：，其中氫氣摩爾分數約為 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(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。雙法蘭差壓液位計見(jiàn)圖 1 ，隔離膜片和導壓毛細管 內填充硅油 ：
為了查出原 因，調研 了山東 A 用戶(hù) ，陜西 B 和c 用戶(hù) ，寧夏 D 用戶(hù)等共 4 個(gè)氣化裝置工廠(chǎng)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 調查統計可以看出，316L 膜 片使用期#短，易開(kāi)裂，基本上就是 6 個(gè)月的使用壽命。加厚型316L 略有延長(cháng)，意義不 明顯 ，且有硬脆現象 。金剛膜片雖然耐磨，但在本工況下并沒(méi)有改善。鍍金膜片使用周期#長(cháng)，不開(kāi)裂，但有內凹或鼓包現象發(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(guò)電化學(xué)反應生成氫原子，這些氫原子滲透到鋼內部后，使鋼晶粒間原子結合力降低，表現為鋼材的延伸率、斷面收縮率降低，強度也發(fā)生變化，這種現象叫氫脆。高溫下不發(fā)生氫脆 ，此時(shí)已轉化為氫腐蝕。溫度太低時(shí)也不發(fā)生 ，因為此時(shí)氫不具備大量滲入金屬 晶格 內的活性 。
氫腐蝕 ：是指 鋼材長(cháng)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)反應生成 甲烷 (Fe c + 2H 一3Fe + C H ) ，當這樣的化學(xué)反應發(fā)生在鋼材 的表面時(shí) ，稱(chēng)為表面脫碳 ，發(fā)生在鋼材 內部時(shí) ，稱(chēng)為內部脫碳。內部脫碳和外部脫碳統稱(chēng)為氫腐蝕。
對于鋼材 內部 的內部脫碳 ，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 ，造成應力集 中，進(jìn)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 膜片故障的傳統觀(guān)點(diǎn)分析
對于激冷室液位計 的故障分析 ，通常有灰漿磨損 、氫脆 、負壓工況等幾種解釋 ，下面結合前 面的具體故障表征來(lái)具體討論 。
4．1 灰漿磨損 的觀(guān)點(diǎn)
灰漿磨損的觀(guān)點(diǎn)shou先是針對 316L 材質(zhì)的膜片破裂來(lái)說(shuō) 的，山東 A 用戶(hù) 為抗磨 損 ，采用 了金 剛膜片 ，應該說(shuō)大大地提高 了膜片的耐磨性能 ，但它的使用周期基本上沒(méi)有多少提高，使用周期長(cháng)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(lái)判斷黃金的成色 。因此 ，灰漿磨損導致膜片破裂是不成立 的。
4．2 氫脆損壞的觀(guān)點(diǎn)
氫脆是在常溫下的現象 ，3 16L 為含碳質(zhì)量分數小于 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(huì )轉化為氫腐蝕。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部 ，更多地會(huì )從膜片內部再次出來(lái) ，而 316L 又是硬度相對較小的金屬 ，其彈性較好 ，因此 ，氫脆現象不會(huì )是主因。
在表 1 中，可以看出 ，各家采用 316L 膜片 的都出現膜片破裂情況 ，這又如何解釋呢? 問(wèn)題 的關(guān)鍵是 ，我們注意到膜片破裂并沒(méi)有發(fā)生在膜片 中間，而是發(fā)生在膜片焊接處，更準確地說(shuō)應該是焊接處開(kāi)裂 ，膜片相對還好。在這種情況下 ，本文認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(shí)的高溫容易造成金屬在焊接影響區形成碳化物堆積 ，在激冷室液位的高溫和高氫分壓的作用下，造成焊接影響區脫碳形成 CH 氣體，CH 氣體在焊縫內部形成巨大的內部應力，在該應力的作用下造成 了焊縫開(kāi)裂。這種情況在鍍金膜片中就不會(huì )發(fā)生 ，因此 ，作者沒(méi)有看到一家鍍金膜片發(fā)生開(kāi)裂情況。
對于加厚型 316L ，發(fā)現它不單單出現焊接處開(kāi)裂，還出現了膜片變硬的現象，作者認為雖然其含碳質(zhì)量分數小于 0 ．03％ ，但并非沒(méi)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象
針對鍍金膜片的外凸鼓包現象，一般有 4 種解釋 ：
第 1 種認為是在氣化爐開(kāi)車(chē)烘爐階段 ，有一段抽真空的負壓置換 階段 ，在負壓 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(hù) 和陜西 C 用戶(hù) 出現的膜片內凹現象 ，開(kāi)車(chē)負壓工況持續時(shí)間不是很長(cháng) ，對大家都一樣 ，為什么有的外凸，有的內凹?
② 目前這些知名品牌的雙法蘭液位計都具有較強的耐負壓能力 ，對于氣化爐開(kāi)車(chē)負壓 的承受力應該是沒(méi)有 問(wèn)題的。
③如果是開(kāi)車(chē)負壓造成 了膜片鼓包 ，那么一定在膜片硅油側形成了一定 的真空 ，在液位計拆下來(lái)后 ，應該能夠把膜片按壓回去 ，但實(shí)際情況是膜片無(wú)法 回彈，在這種情況下 ，一定是膜片硅油側填充液的體積增大造成的而絕不會(huì )是負壓造成的。
第 2 種認為鍍金膜片的鼓包是氫脆或氫腐蝕的表現 ，shou先 ，前面已經(jīng)說(shuō)到了氫脆是氫原子滲透到鋼內部后 ，使鋼 晶粒間原子結合力降低 ，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 內部的 CH 會(huì )造成金屬裂紋或鼓泡 ，但作者注意到 ，故障現象不是膜片某個(gè)局部出現鼓泡 ，而是整個(gè) 隔離膜片在硅油側 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(wèn)題無(wú)法解釋 ：
①硅油蒸汽說(shuō)只能解釋鼓包，同負壓一樣無(wú)法解釋膜片 內凹現象 。
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(diǎn)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(guò) 270 oC ，即便 出現 了極偶然 的工況超過(guò) 了 300 ℃ ，也不 可 能成 為各個(gè) 工 廠(chǎng) 的普遍現象 。
③如果是產(chǎn)生了硅油蒸汽 ，在液位計拆下檢修時(shí) ，溫度重新回歸常溫 ，硅油蒸汽應該冷凝 回液態(tài) ，這時(shí)毛細管填充液應 回歸初始體積 ，膜片在外力按壓下應該能夠彈回，實(shí) 際上不能彈回。
第 4 種是以前認為的#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�。氢对靳橍�?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(guò)了隔離膜片而進(jìn)入了硅油中，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的積累后 ，游離在硅油中的氫原子又重新結 合為 H ：，從 而在硅 油側產(chǎn)生 了氫氣 ，這個(gè)氫氣的存在解 釋了膜片鼓包并且無(wú)法 回彈的現象 ，因為氫氣被密封在 了雙法蘭液位計 的毛細管中。
這個(gè) 解釋在發(fā)現膜 片內 凹前顯得極有 說(shuō)服力 ，但發(fā)現山東 A 用戶(hù)的鍍金膜片 內凹后 ，就 基本否定了這種觀(guān)點(diǎn) ，事實(shí)上，在 山東 A 用戶(hù)幾乎 沒(méi)有出現過(guò)膜片鼓包現象 ，主要是內凹現象 ，氫氣的形成不是長(cháng)期使用后膜片鼓包的主要 因素 。
5 對隔離膜片內凹及鼓包的分析
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(guò)研究山東 A 用戶(hù) 的故障表征 ，來(lái)做進(jìn)一步的推理和判斷。shou先 ，膜片內凹表示硅油少了，但液位計還有下一步現象 ，當壓力小 于 1．0 M Pa 時(shí) ，測量無(wú)反應 ，當壓力大于 1．0 M Pa 時(shí)，其測量精度又恢復了正常 ，外觀(guān)檢查也未發(fā)現漏油 ，因此 ，排 除了漏油 的可能性 ，既然沒(méi)有漏油 ，而硅油又實(shí)實(shí)在在的少了，硅油在密閉無(wú)泄漏的空間 內去哪里 了? 當這個(gè) 問(wèn)題提出后 ，答案就指向發(fā)生了化學(xué)反應這非常好 的可能性上。在密閉的空間，在沒(méi)有其它反應物的情況下 ，目標又指向了氫元素，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 ，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構如式（1）所示：
在長(cháng)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，分子式結構如式（2）所示：
化學(xué)反應式如（3）所示：
在化學(xué)反應中，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(lái)說(shuō) ，以一個(gè)氫替代 了一個(gè) 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(shuō) ，當硅油變成 了含氫硅油后 ，其相對分子質(zhì)量雖然小 了，但其分子問(wèn)距也變小了，其結果就是密度變大了，體積減小 了，這也就#終解釋了為什么會(huì ) 出現膜片 內凹 ，硅油體積減少 的現象。
在山東 A 用戶(hù)的使用中，隔離膜片 內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 )出現小于 1．0 M Pa 時(shí)壓力 ，雙法蘭液位計無(wú)反應 ，當壓力大于 1．0 M Pa 時(shí)，該壓力照樣通過(guò)毛細管傳至變送器的測量室中，因此 ，在壓力大于 1．0 M Pa 時(shí)變送器反應基本正常。這個(gè)理論解釋了膜片 內凹，那又如何解釋其 它用戶(hù)工廠(chǎng)出現的膜片外凸現象呢? 通過(guò)上面的反應式 (3)就會(huì )發(fā)現 ，還有一個(gè)游離態(tài) 的甲基 C H f 溶解在硅油中，隨著(zhù)時(shí)間的推移 ，進(jìn)入硅油 中的氫會(huì )置換出越來(lái)越多的甲基 ，該 甲基與后來(lái)再進(jìn)來(lái) 的氫元素反應生成 甲烷 ，至 此 ，氣 體 產(chǎn) 生 ，其 化 學(xué) 反 應 為 ：
CH ；+ H —c H 。甲烷氣體 的產(chǎn)生導致膜片開(kāi)始從內凹逐漸轉化為外凸鼓包 。
那么為什么山東 A 用戶(hù)使用 2 年后膜片內凹，而其它工廠(chǎng)更多的發(fā)現使用 2 年后卻是膜片外凸。
通過(guò)前面的雙法蘭膜片故障表中，可 以看到山東A 用戶(hù)的液位計鋇4量膜片處的沖洗水是連續沖洗 ，而陜西 B 用戶(hù)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(hù)測量膜片的實(shí)際操作溫度應該是低于 200 ℃的，而陜西 B 用戶(hù)除每周一沖洗外的其它時(shí)間一直是 220 ℃ ，也就是說(shuō)，B 用戶(hù)該液位計處氫氣的活性是遠大于山東 A 用戶(hù)的，A 用戶(hù)的液位計使用了2 年，只是出現了內凹，還未來(lái)得及產(chǎn)生甲烷氣體 ，而 B 用戶(hù)應該有更多的氫元素穿過(guò) 了隔離膜片，應該也是先出現內凹，隨著(zhù)時(shí)間的推移，置換 出甲基與后來(lái)再進(jìn)來(lái)的氫元素反應生成甲烷氣體 ，膜片也逐漸從內凹轉平再轉為外凸，#終徹底無(wú)法使用。而陜西 C 用戶(hù)和寧夏 D 用戶(hù)為不定期沖洗 ，也就是感覺(jué)測量不準有堵塞情況發(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(hù) ，因此其使用環(huán)境更加惡劣，使用周期更短。
6 對儀表選型及現場(chǎng)操作的建議
6．1 設計選型建議
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(cháng)于普通膜片。
③避免采用金剛膜片，耐磨不是問(wèn)題所在。
④ 目前加厚 316L + 鍍金材質(zhì)是 國內主流 的設計方案 ，但通過(guò)前面的討論 ，認為加厚不是問(wèn)題的關(guān)鍵所在，沒(méi)有證據顯示加厚能夠延長(cháng)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)一步影響彈性及測量效果。
⑤建議隔離膜片宜采用 316L + 鍍金材質(zhì)。
6．2 現場(chǎng)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(wú)法消除 ，建議 采用連續水 沖洗 ，水量 可 以開(kāi)得較小 ，溫度 的降低對使用周期 的延長(cháng)效果明顯。
7 結 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(guò) 隔離膜片 ，與硅油發(fā)生化學(xué)反應生成體積小 、密度高的含氫硅油造成膜片 內凹。膜片鼓包是長(cháng)時(shí)期使用后硅油中置換 出的 甲基 (cH ；)與氫反應產(chǎn)生 甲烷 (CH )氣體造成。
關(guān)注我們 實(shí)現共贏(yíng)