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煤氣化是煤化工中的裝置，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液位變送器,，但不同的設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)人員,、用戶單位,，在選擇雙法蘭液位變送器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［2］、氫脆［2］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1300℃,，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)入激冷室液面下，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［3］。其操作壓力根據(jù)不同的用戶各有不同,，一般有4．0,，6．5，8．7MPa壓力的氣化爐，文中以常用的6．5MPa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H2,，CO和CO2，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℃,，壓力為6．5MPa,，其中氫分壓為2．275MPa。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變送器普遍用的不好,，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,。雙法蘭液位變送器見
　　圖1,，隔離膜片和導(dǎo)壓毛細(xì)管內(nèi)填充硅油:

　　圖1雙法蘭液位變送器
　　Fig．1Differentialpressurelevel-metersofdiaphragmsealtype
　　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(Fe3C+2H2→3Fe+CH4),，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)首先是針對(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,，316L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,。而雙法蘭液位變送器的膜片非常薄，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CH4氣體，CH4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［1］。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［2］,。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?
　?、谀壳斑@些的雙法蘭液位變送器都具有較強(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,。
　?、廴绻情_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),，首先,，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CH4氣體,，金屬表面的CH4會(huì)溢出，金屬內(nèi)部的CH4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:
　?、俟栌驼羝f只能解釋鼓包,，同負(fù)壓一樣無法解釋膜片內(nèi)凹現(xiàn)象。
　?、诎凑粘Ｓ玫亩谆栌?，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℃,，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。
　?、廴绻钱a(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［4］，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)際上就是質(zhì)子,。氫對(duì)金屬具有很強(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*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H2,，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)闅錃獗幻芊庠诹穗p法蘭液位變送器的毛細(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,。首先，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1．0MPa時(shí)，測(cè)量無反應(yīng),，當(dāng)壓力大于1．0MPa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6．5MPa壓力下，在2．275MPa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)，這是的解釋,。下面進(jìn)一步討論硅油到底變成了什么?首先,，常用的二甲基硅油的分子式結(jié)構(gòu)如式

　　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—1．015,，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,，但其分子間距也變小了,，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1．0MPa時(shí)壓力作用下的彈性形變,，因此會(huì)出現(xiàn)小于1．0MPa時(shí)壓力，雙法蘭液位變送器無反應(yīng),，當(dāng)壓力大于1．0MPa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1．0MPa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CH－3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－3+H→CH4,。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)測(cè)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℃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*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65kg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,。
　?、郾苊獠捎媒饎偰て湍ゲ皇菃栴}所在,。
　?、苣壳凹雍?16L+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［5］,，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－3)與氫反應(yīng)產(chǎn)生甲烷(CH4)氣體造成,。