摘 要:針對(duì)雙法蘭差壓變送器膜片故障失效情況,進(jìn)行檢測(cè)及腐蝕分析。分析結(jié)果表明:膜片故障失效是氫離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所致,膜片質(zhì)量缺陷是導(dǎo)致雙法蘭差壓變送器故障的直接原因。通過(guò)分析提出建議措施,為同類(lèi)雙法蘭差壓變送器預(yù)防腐蝕失效提供借鑒。
油氣處理站的油氣分離裝置或是原油儲(chǔ)罐、污水(含油污水)儲(chǔ)罐上,設(shè)計(jì)使用較多的液位測(cè)量?jī)x表大多選用雙法蘭差壓變送器。雙法蘭差壓變送器#大特點(diǎn)是其可以避免被測(cè)介質(zhì)通過(guò)引壓管對(duì)測(cè)量造成的影響,因而測(cè)量精度較高,而且安裝和日常維護(hù)工作量少。但在某油氣處理站污水儲(chǔ)罐多次出現(xiàn)雙法蘭差壓變送器膜片故障失效,導(dǎo)致儀表測(cè)量不準(zhǔn)確,隱患處理及時(shí),未引發(fā)儲(chǔ)罐事故。
1 使用工況
某油氣處理站雙法蘭差壓變送器大多使用在緩沖水罐、收油罐、濾后水罐以及除油罐上。這些儲(chǔ)罐操作溫度在 40℃~90℃,操作壓力在 0.2MPa~1.41MPa,介質(zhì)多為污水或含油污水,礦化度較高(Cl-約 104mg/L 左右),含硫(#高可達(dá)31.25%)。
2 工作原理
如圖 1 所示,輸入壓力作用在連接法蘭上的密封膜片10 上將壓力傳給測(cè)量元件,測(cè)量元件測(cè)量到的差壓經(jīng)密封膜片 6 和內(nèi)充液 7 傳送給硅壓力傳感器 3。密封膜片隨不同的差壓值產(chǎn)生不同程度的變形,粘貼在測(cè)量膜片上的四個(gè)電橋電路中的壓電電阻隨之改變阻值,使電橋輸出電壓變化和被測(cè)的差壓成比值關(guān)系。
當(dāng)壓力超過(guò)測(cè)量極限時(shí)過(guò)壓保護(hù)膜片 5 產(chǎn)生變形,直到一側(cè)的密封膜片貼到測(cè)量單元 4 內(nèi)壁上,以保護(hù)硅壓力傳感器避免過(guò)壓損壞。
3 故障概況
經(jīng)檢查站內(nèi)收油罐測(cè)量液位的一臺(tái)單法蘭差壓變送器,以及緩沖水罐的一臺(tái)雙法蘭差壓變送器膜片均發(fā)生了鼓包(兩臺(tái)差壓液位計(jì)同屬一個(gè)廠(chǎng)家,膜片材質(zhì)為哈氏合金C276),如下圖 2 所示;且鼓包有彈性,而膜片表面未見(jiàn)明顯腐蝕痕跡。采用鋼針將差壓變送器膜片刺穿,有無(wú)色無(wú)味氣體逸出,判斷膜片鼓包為內(nèi)腔氣體所致。
4 故障失效分析
4.1 檢驗(yàn)分析
4.1.1 膜片測(cè)厚
使用超聲波測(cè)厚儀(測(cè)量精度 0.01μm)對(duì) 3 臺(tái)法蘭膜片壁厚進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如表 1 所示?梢(jiàn)液位計(jì)膜片#大壁厚 84.6μm,#小壁厚 48.4μm,平均壁厚 62.84μm,多數(shù)測(cè)量位置的厚度低于設(shè)計(jì)厚度 80μm。
4.1.2 化學(xué)成分分析及力學(xué)測(cè)試
對(duì)變送器膜片進(jìn)行化學(xué)成分分析以及力學(xué)性能測(cè)試,化學(xué)成分分析顯示磨片內(nèi)硅元素超標(biāo),其余元素符合標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果如表 2 所示;而通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試可知,膜片硬度和抗拉強(qiáng)度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,如表 3 所示。
4.1.3 金相分析
對(duì)故障失效膜片進(jìn)行金相組織分析,結(jié)果顯示該膜片金相組織結(jié)構(gòu)為奧氏體,晶粒度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,分析結(jié)果見(jiàn)表4。
為進(jìn)一步分析膜片泄漏所產(chǎn)生的特點(diǎn),分別對(duì)它們展開(kāi)泄漏缺陷分析,分析表明材料表面有微孔存在。如圖 3 所示。
4.1.4 氫含量分析
取一組備用新變送器膜片和故障失效舊膜片,我們進(jìn)行氫含量分析,失效液位計(jì)膜片中的氫含量遠(yuǎn)高于未使用過(guò)的新膜片,而且失效膜片中氫含量約為新膜片氫含量的 1.25倍。分析結(jié)果見(jiàn)表 5。
4.2 故障失效原因
通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析可知,膜片多數(shù)測(cè)量位置的厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度(80μm)要求,膜片的化學(xué)成分不符合 ASTM B575-2017 的要求,過(guò)高含量的 Si 會(huì)惡化合金的焊接性能,而且失效液位計(jì)膜片中的氫含量約為新膜片的 1.25 倍,同時(shí)液位計(jì)使用環(huán)境中含有 H2S,H2S 溶于水后電離出氫離子(氫核),氫核在超過(guò) 40℃以上環(huán)境會(huì)對(duì)對(duì)金屬具有很強(qiáng)的滲透能力,而金相分析表明膜片本身存在細(xì)小微孔,因此氫核滲透進(jìn)入膜片并發(fā)生聚集結(jié)合為氫分子,而且無(wú)法逸出膜片,#終氫分子集結(jié)產(chǎn)生氫氣,導(dǎo)致膜片鼓包失效降低變送器的測(cè)量精度。
5 結(jié)論及建議措施
(1)變送器膜片哈氏合金 C276 的化學(xué)成分不符合 ASTM B575-2017 的要求(Si 含量超標(biāo)),組織為奧氏體,硬度及晶粒度檢測(cè)合格。膜片多數(shù)測(cè)量位置的厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。
(2)失效膜片中的氫含量比新膜片的氫含量高很多,再結(jié)合金相分析可判斷膜片鼓包失效是發(fā)生氫滲透所致;
(3)建議在使用單、雙法蘭差壓變送器(膜片材質(zhì)為C276)時(shí),應(yīng)避免使用介質(zhì)含硫較高,溫度超過(guò) 40℃以上的環(huán)境,以減少氫滲透的發(fā)生;
(4)若不可避免用于上述介質(zhì)環(huán)境時(shí),可在設(shè)計(jì)選型中選擇對(duì)變送器膜片進(jìn)行鍍膜處理,或選用 PTEF 鍍膜工藝的變送器。