2024年3月12日发(作者：宰父晓燕)
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技改与创新． 化工自动化及仪表，２００８，３５（２）：８７～８８
Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
防氢型变送器原理及应用
韩建武 ，杨洮梅
（１．苏州兰炼富士仪表有限公司，江苏苏州２１５２００；２．中国石油兰州石油化工公司仪表厂，兰州７３００６０）
摘要： 从炼厂加氢装置变送器的使用现状出发，分析变送器的氢脆现象，提出解决氢渗透的途径。研制出
了一种双层镀层的法兰变送器，从根本上解决了氢渗透问题。该工艺是在ＳＵＳ ３１６Ｌ不锈钢隔离膜片基材上先镀
一
层金，然后在金镀层表面再镀一层陶瓷膜。经使用该变送器防氢效果较好。
关键词： 防氢变送器；氢渗透；陶瓷镀层；选型
中图分类号：ＴＨ８６２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—３９３２（２００８）０２－００８７—０２
１ 引 言
协同作用，导致许多金属体系脆性失效。有压力机
理，表面能降低机理，内聚力降低机理等，这些都是
氢与金属材料直接作用的结果 。
３防氢措施
为了生产高品质的汽、煤、柴、润四大产品，炼油
厂普遍采用加氢工艺及加氢裂化装置，根据原料及
产品的不同分为柴油加氢、润滑油加氢、加氢精制等
工艺。加氢装置及工艺的特点是高温、高压及高浓
度的氢气相互作用，这就要求过程设备特别是过程
检测仪表不仅要适应高温、高压的过程条件，而且要
经得起氢渗透的考验。目前常用的差压、压力、法兰
变送器的隔离膜片材质大多为ＳＵＳ ３１６Ｌ、哈氏合金
等，在加氢装置上使用一段时间后，这些变送器会出
变送器阻止氢迁移的办法通常有两种：一种是
涂层法，一种是隔离法。目前世界上一些著名的仪
表厂商都是采用这两种方法。涂层法就是在隔离膜
片外表面涂涂层，即采用在金属隔离膜片表面镀金
工艺，金具有很好的致密性和很强的耐蚀性，在ＳＵＳ
３１６Ｌ不锈钢或哈氏合金表面镀一层金属膜，可以弥
补隔离膜片金属表面的微小缺陷，加之金镀层的耐
蚀作用，可以延缓氢渗透和降低氢脆现象，但却不能
从根本上解决氢脆问题。
现输出不稳定、零点漂移的现象，变送器的使用寿命
明显缩短。造成这种现象的主要原因是金属隔离膜
片由于氢渗透产生的“氢脆现象”。如何防止隔离
膜片的氢脆现象，提高变送器的使用寿命和保证装
置的平稳运行，一直以来是困扰用户和变送器生产
制造厂商的一个难题。
２氢脆现象
隔离法是采用聚四氟乙烯贴膜，这种方法通常
用于法兰变送器，在金属隔离膜片表面贴附一张聚
四氟乙烯膜片，起到了隔离介质的作用。但因附加
的Ｆ４贴膜是一个单独的零件，安装粘贴技巧很重
要，在现场安装时需要使用耦合剂以保证Ｆ４膜片与
金属膜片问具有完全一致的吻合性并不能存有空
气，Ｆ４膜片粘贴不好，则测量效果不佳，另外，Ｆ４膜
氢气虽然没有腐蚀作用，但是有极强的渗透能
力，氢分子很小，即使在大气环境中氢也会以各种途
径进入金属材料的晶格中，若在高温、高压和高浓度
协同作用下，则会大大加速氢的渗透能力，致使金属
失效，这种现象称为“氢脆”。
片的工作温度一般在１８０ ｏＣ以下，受介质温度影响
的局限性较大，再者这种方法不适用于压力、差压变
送器。
４防氢型变送器
变送器的氢脆现象主要表现在膜盒的隔离膜片
上，通常隔离膜片的厚度只有０．０４～０．０８ ｍｍ，是最
薄弱的环节。用于加氢装置的变送器，在高温、高压
针对氢脆问题，日本富士电机公司１９９９年推出
和高浓度氢气的作用下，隔离膜片会出现弹性失效，
表面硬化，甚至有的氢分子还透过金属膜片，进入膜
盒封液内部，使填充液中会有气体，体积增大，迫使
隔离膜片外鼓变形以致破裂，造成仪表输出不稳，产
生零点漂移甚至损坏。
了隔离膜片上涂有金和陶瓷双层镀层的差压、压力
变送器，如图１所示。２００７年又研制了双层镀层的
法兰变送器，这是迄今为止解决变送器氢脆现象的
最有效的方法，这种方法综合了涂层法和隔离法的
造成氢脆的机理是氢可与施加应力及残余压力
收稿日期：２００８－０２－２５（修改稿）
维普资讯
・
８８・ 化工自动化及仪表 第３５卷
优点。
１２０
洲 锹
＼ 垒 疑 垂 Ｊ
８０
＼＼＼‘ ＼＼＼ ＼＼＼＼／＼＼＼ ＼、
蟊
＼＼＼ ＼不锈钢ＳＵＳ ３ １６ ＼
赠 ４０
譬■：：． ｚ ： ： ：・、 ’ ＼ ； ＾、＼、卜 ．‘：． ＼
一 罐
哈氏合金ｃ。 ０ ≯一 一 。。
善爱 ： ・： ．‘ ＿ ： ：■ － ０ ：
０ ５ １０ １５ ２０
使用压力／ＭＰａ
（ａ）氢浓度：１％（ｍｏ１）
１２０
／／／ ／／／／ 金＋陶瓷双重涂屈 ／
图１防氢变送器
芝８０
／／、 ／／／／ ／／／， ／／／． ／
、＼ ／／／／、 、 、、 ／／／／ 、、、， ／／／
其工艺是在ＳＵＳ ３１６Ｌ不锈钢隔离膜片基材上
４０
（＼＼ 钢ＳＵＳ ３１ ＼＼、 ，＼＼＼、， ＼
先镀一层金，然后在金镀层表面再镀一层陶瓷膜，金
ｉＪ、 ＼＼＼ ＼＼＼、 ＼＼＼ 、、
哈氏合金！；．叠！ ．・： ．・ ０７ ： 江
＋陶瓷的致密性很好，粘附能力强，这样就在ＳＵＳ
一
赠
０
５ １０ １５ ２０
３１６Ｌ不锈钢膜片上形成了保护膜。采用双镀层的
使用压力／ＭＰａ
隔离膜片可以有效地防止氢渗透，致密的镀金层可
（ｂ）氢浓度：１０％（ｔｏｏ１）
以减缓氢渗透速度，延长仪表的使用寿命，陶瓷镀层
１２０
一
ｌ
起到了电绝缘和氢隔离的作用，阻止介质中的氢离
８０
／／ ／／＾／／ｙ／／
子和膜片中的电子结合，从根本上解决了氢渗透问
／／ ／／ ＋ 双 ／
赠 ４０
＼ ／／ ／／ ／／ ／
题。
、
＼ ＼＼＼＾＼＼＼ ＼＼
氢气透过金属的程度决定于含氢介质的温度、
、＼＼ｘ、＼、／、、、 ，＼＼＼ ＼、
０ ５ １０ １５ ２０
压力和浓度，其中温度影响最大。图２是隔离膜片
使用压力／ＭＰａ
接触含氢介质时的材料选用指导曲线，可供测量含
（ｃ）氢浓度：１００％（ｔｏｏ１）
氢介质时，选择变送器接液材料时参考 。
图２隔离膜片接触含氢介质时的材料选用曲线
从图２（ａ）中可见，当氢含量在１％的摩尔浓度
时，５０℃以下可选用哈氏合金ｃ隔离膜片，约１００℃
５仪表选型及使用情况
以下可选用不锈钢ＳＵＳ ３１６Ｌ，温度再高时，则在ＳＵＳ
采用隔离膜片镀膜后的变送器与普通的变送器
３１６Ｌ不锈钢表面上涂金和陶瓷；当氢含量浓度在
相比准确度等技术指标略有降低，表１是两种变送
１０％摩尔浓度时（图２（ｂ）），约２０℃以下，可用哈氏
器主要性能对照，其它技术指标均相同。由于金和
合金ｃ，约７０℃以下则用ＳＵＳ ３１６Ｌ不锈钢，再高温
陶瓷镀层仅有几微米且结合牢固，因此变送器的外
度时，则需要在不锈钢金属面上涂涂层，当１００％氢
形及体积没有变化，安装使用方法与普通变送器完
含量时，哈氏合金ｃ不能使用。
全一样。
表１ 防氢型与普通型变送器主要性能比较
２００１年以来先后在荆门石化润滑油加氢改制、
选择镀金型变送器，这在扬子石化炼油厂加氢装置
武汉石化柴油加氢、泽普石化加氢重整项目中含氢
中已有成功的应用。
气较高的场所使用了１８台防氢变送器。目前已使
参考文献：
用了６年时间，至今应用情况良好。由于隔离膜片
［１］柯克，张学元，闫一功，等．金属体系中氢进入及破坏过程
增加了两层镀层，其制作工艺难度大，因此增加了变
的电化学方法研究［Ｊ］．腐蚀科学与防护技术，２００１，１３
送器的制造成本和售价，在仪表选型时，既要考虑适
（１）：４２—４５．
［２］朱炳兴．变送器选型与维护［Ｍ］．北京：化学工业出版社，
用性又要兼顾经济性，在氢渗透不严重的场合还可
２００１：１１３—１１４．
2024年3月12日发(作者：宰父晓燕)
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技改与创新． 化工自动化及仪表，２００８，３５（２）：８７～８８
Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
防氢型变送器原理及应用
韩建武 ，杨洮梅
（１．苏州兰炼富士仪表有限公司，江苏苏州２１５２００；２．中国石油兰州石油化工公司仪表厂，兰州７３００６０）
摘要： 从炼厂加氢装置变送器的使用现状出发，分析变送器的氢脆现象，提出解决氢渗透的途径。研制出
了一种双层镀层的法兰变送器，从根本上解决了氢渗透问题。该工艺是在ＳＵＳ ３１６Ｌ不锈钢隔离膜片基材上先镀
一
层金，然后在金镀层表面再镀一层陶瓷膜。经使用该变送器防氢效果较好。
关键词： 防氢变送器；氢渗透；陶瓷镀层；选型
中图分类号：ＴＨ８６２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—３９３２（２００８）０２－００８７—０２
１ 引 言
协同作用，导致许多金属体系脆性失效。有压力机
理，表面能降低机理，内聚力降低机理等，这些都是
氢与金属材料直接作用的结果 。
３防氢措施
为了生产高品质的汽、煤、柴、润四大产品，炼油
厂普遍采用加氢工艺及加氢裂化装置，根据原料及
产品的不同分为柴油加氢、润滑油加氢、加氢精制等
工艺。加氢装置及工艺的特点是高温、高压及高浓
度的氢气相互作用，这就要求过程设备特别是过程
检测仪表不仅要适应高温、高压的过程条件，而且要
经得起氢渗透的考验。目前常用的差压、压力、法兰
变送器的隔离膜片材质大多为ＳＵＳ ３１６Ｌ、哈氏合金
等，在加氢装置上使用一段时间后，这些变送器会出
变送器阻止氢迁移的办法通常有两种：一种是
涂层法，一种是隔离法。目前世界上一些著名的仪
表厂商都是采用这两种方法。涂层法就是在隔离膜
片外表面涂涂层，即采用在金属隔离膜片表面镀金
工艺，金具有很好的致密性和很强的耐蚀性，在ＳＵＳ
３１６Ｌ不锈钢或哈氏合金表面镀一层金属膜，可以弥
补隔离膜片金属表面的微小缺陷，加之金镀层的耐
蚀作用，可以延缓氢渗透和降低氢脆现象，但却不能
从根本上解决氢脆问题。
现输出不稳定、零点漂移的现象，变送器的使用寿命
明显缩短。造成这种现象的主要原因是金属隔离膜
片由于氢渗透产生的“氢脆现象”。如何防止隔离
膜片的氢脆现象，提高变送器的使用寿命和保证装
置的平稳运行，一直以来是困扰用户和变送器生产
制造厂商的一个难题。
２氢脆现象
隔离法是采用聚四氟乙烯贴膜，这种方法通常
用于法兰变送器，在金属隔离膜片表面贴附一张聚
四氟乙烯膜片，起到了隔离介质的作用。但因附加
的Ｆ４贴膜是一个单独的零件，安装粘贴技巧很重
要，在现场安装时需要使用耦合剂以保证Ｆ４膜片与
金属膜片问具有完全一致的吻合性并不能存有空
气，Ｆ４膜片粘贴不好，则测量效果不佳，另外，Ｆ４膜
氢气虽然没有腐蚀作用，但是有极强的渗透能
力，氢分子很小，即使在大气环境中氢也会以各种途
径进入金属材料的晶格中，若在高温、高压和高浓度
协同作用下，则会大大加速氢的渗透能力，致使金属
失效，这种现象称为“氢脆”。
片的工作温度一般在１８０ ｏＣ以下，受介质温度影响
的局限性较大，再者这种方法不适用于压力、差压变
送器。
４防氢型变送器
变送器的氢脆现象主要表现在膜盒的隔离膜片
上，通常隔离膜片的厚度只有０．０４～０．０８ ｍｍ，是最
薄弱的环节。用于加氢装置的变送器，在高温、高压
针对氢脆问题，日本富士电机公司１９９９年推出
和高浓度氢气的作用下，隔离膜片会出现弹性失效，
表面硬化，甚至有的氢分子还透过金属膜片，进入膜
盒封液内部，使填充液中会有气体，体积增大，迫使
隔离膜片外鼓变形以致破裂，造成仪表输出不稳，产
生零点漂移甚至损坏。
了隔离膜片上涂有金和陶瓷双层镀层的差压、压力
变送器，如图１所示。２００７年又研制了双层镀层的
法兰变送器，这是迄今为止解决变送器氢脆现象的
最有效的方法，这种方法综合了涂层法和隔离法的
造成氢脆的机理是氢可与施加应力及残余压力
收稿日期：２００８－０２－２５（修改稿）
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・
８８・ 化工自动化及仪表 第３５卷
优点。
１２０
洲 锹
＼ 垒 疑 垂 Ｊ
８０
＼＼＼‘ ＼＼＼ ＼＼＼＼／＼＼＼ ＼、
蟊
＼＼＼ ＼不锈钢ＳＵＳ ３ １６ ＼
赠 ４０
譬■：：． ｚ ： ： ：・、 ’ ＼ ； ＾、＼、卜 ．‘：． ＼
一 罐
哈氏合金ｃ。 ０ ≯一 一 。。
善爱 ： ・： ．‘ ＿ ： ：■ － ０ ：
０ ５ １０ １５ ２０
使用压力／ＭＰａ
（ａ）氢浓度：１％（ｍｏ１）
１２０
／／／ ／／／／ 金＋陶瓷双重涂屈 ／
图１防氢变送器
芝８０
／／、 ／／／／ ／／／， ／／／． ／
、＼ ／／／／、 、 、、 ／／／／ 、、、， ／／／
其工艺是在ＳＵＳ ３１６Ｌ不锈钢隔离膜片基材上
４０
（＼＼ 钢ＳＵＳ ３１ ＼＼、 ，＼＼＼、， ＼
先镀一层金，然后在金镀层表面再镀一层陶瓷膜，金
ｉＪ、 ＼＼＼ ＼＼＼、 ＼＼＼ 、、
哈氏合金！；．叠！ ．・： ．・ ０７ ： 江
＋陶瓷的致密性很好，粘附能力强，这样就在ＳＵＳ
一
赠
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５ １０ １５ ２０
３１６Ｌ不锈钢膜片上形成了保护膜。采用双镀层的
使用压力／ＭＰａ
隔离膜片可以有效地防止氢渗透，致密的镀金层可
（ｂ）氢浓度：１０％（ｔｏｏ１）
以减缓氢渗透速度，延长仪表的使用寿命，陶瓷镀层
１２０
一
ｌ
起到了电绝缘和氢隔离的作用，阻止介质中的氢离
８０
／／ ／／＾／／ｙ／／
子和膜片中的电子结合，从根本上解决了氢渗透问
／／ ／／ ＋ 双 ／
赠 ４０
＼ ／／ ／／ ／／ ／
题。
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氢气透过金属的程度决定于含氢介质的温度、
、＼＼ｘ、＼、／、、、 ，＼＼＼ ＼、
０ ５ １０ １５ ２０
压力和浓度，其中温度影响最大。图２是隔离膜片
使用压力／ＭＰａ
接触含氢介质时的材料选用指导曲线，可供测量含
（ｃ）氢浓度：１００％（ｔｏｏ１）
氢介质时，选择变送器接液材料时参考 。
图２隔离膜片接触含氢介质时的材料选用曲线
从图２（ａ）中可见，当氢含量在１％的摩尔浓度
时，５０℃以下可选用哈氏合金ｃ隔离膜片，约１００℃
５仪表选型及使用情况
以下可选用不锈钢ＳＵＳ ３１６Ｌ，温度再高时，则在ＳＵＳ
采用隔离膜片镀膜后的变送器与普通的变送器
３１６Ｌ不锈钢表面上涂金和陶瓷；当氢含量浓度在
相比准确度等技术指标略有降低，表１是两种变送
１０％摩尔浓度时（图２（ｂ）），约２０℃以下，可用哈氏
器主要性能对照，其它技术指标均相同。由于金和
合金ｃ，约７０℃以下则用ＳＵＳ ３１６Ｌ不锈钢，再高温
陶瓷镀层仅有几微米且结合牢固，因此变送器的外
度时，则需要在不锈钢金属面上涂涂层，当１００％氢
形及体积没有变化，安装使用方法与普通变送器完
含量时，哈氏合金ｃ不能使用。
全一样。
表１ 防氢型与普通型变送器主要性能比较
２００１年以来先后在荆门石化润滑油加氢改制、
选择镀金型变送器，这在扬子石化炼油厂加氢装置
武汉石化柴油加氢、泽普石化加氢重整项目中含氢
中已有成功的应用。
气较高的场所使用了１８台防氢变送器。目前已使
参考文献：
用了６年时间，至今应用情况良好。由于隔离膜片
［１］柯克，张学元，闫一功，等．金属体系中氢进入及破坏过程
增加了两层镀层，其制作工艺难度大，因此增加了变
的电化学方法研究［Ｊ］．腐蚀科学与防护技术，２００１，１３
送器的制造成本和售价，在仪表选型时，既要考虑适
（１）：４２—４５．
［２］朱炳兴．变送器选型与维护［Ｍ］．北京：化学工业出版社，
用性又要兼顾经济性，在氢渗透不严重的场合还可
２００１：１１３—１１４．