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液位變送器，但不同的設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)人員、用戶(hù)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、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(guò)程及作用對(duì)象做了說(shuō)明，對(duì)氫元素與硅油的化學(xué)反應(yīng)及后果做了論述說(shuō)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(chēng)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(hù)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(guò)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(jiàn)
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(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(kāi)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(méi)有改善。鍍金膜片使用周期*長(zhǎng)，不開(kāi)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(guò)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(chēng)為表面脫碳，發(fā)生在鋼材內(nèi)部時(shí)，稱(chēng)為內(nèi)部脫碳。內(nèi)部脫碳和外部脫碳統(tǒng)稱(chēng)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?zhuān)旅娼Y(jié)合前面的具體故障表征來(lái)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(lái)說(shuō)的，山東A用戶(hù)為抗磨損，采用了金剛膜片，應(yīng)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(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(lái)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(lái)，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(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(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是焊接處開(kāi)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(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(duì)于加厚型316L，發(fā)現(xiàn)它不單單出現(xiàn)焊接處開(kāi)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(méi)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(kāi)車(chē)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?zhuān)岢鋈缦沦|(zhì)疑:
①如何解釋在山東A用戶(hù)和陜西C用戶(hù)出現(xiàn)的膜片內(nèi)凹現(xiàn)象，開(kāi)車(chē)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變送器都具有較強(qiáng)的耐負(fù)壓能力，對(duì)于氣化爐開(kāi)車(chē)負(fù)壓的承受力應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的。
③如果是開(kāi)車(chē)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(lái)后，應(yīng)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(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(shuō)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(wèn)題無(wú)法解釋:
①硅油蒸汽說(shuō)只能解釋鼓包，同負(fù)壓一樣無(wú)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(guò)270℃，即便出現(xiàn)了極偶然的工況超過(guò)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?zhuān)礆湓厥窃刂芷诒碇械牡?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(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(wú)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(shuō)服力，但發(fā)現(xiàn)山東A用戶(hù)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(hù)幾乎沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)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(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。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(wú)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(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(nèi)去哪里了?當(dāng)這個(gè)問(wèn)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(méi)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(lái)說(shuō)，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(shuō)，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(hù)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(wú)反應(yīng)，當(dāng)壓力大于1．0MPa時(shí)，該壓力照樣通過(guò)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(hù)工廠出現(xiàn)的膜片外凸現(xiàn)象呢?通過(guò)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(lái)越多的甲基，該甲基與后來(lái)再進(jìn)來(lái)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(kāi)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(hù)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(guò)前面的雙法蘭液位變送器膜片故障表中，可以看到山東A用戶(hù)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(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(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(hù)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(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(jì)處氫氣的活性是遠(yuǎn)大于山東A用戶(hù)的，A用戶(hù)的液位計(jì)使用了2年，只是出現(xiàn)了內(nèi)凹，還未來(lái)得及產(chǎn)生甲烷氣體，而B(niǎo)用戶(hù)應(yīng)該有更多的氫元素穿過(guò)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(lái)再進(jìn)來(lái)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(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(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(hù)，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(wèn)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(guò)前面的討論，認(rèn)為加厚不是問(wèn)題的關(guān)鍵所在，沒(méi)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(wú)法消除，建議采用連續(xù)水沖洗［5］，水量可以開(kāi)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(guò)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。