连续重整装置差压变送器异常故障分析

(一)基本情况

1.装置名称

80万吨/年连续重整装置，采用美国UOP第三代催化剂连续再生工艺，于2008年建成投产。

2.工况简介   

连续重整装置氢还原区/****反应器差压变送器(33-PDT-0101)测量介质为H₂(氢气)+HC(碳氢化合物)，介质均为气体，氢气浓度在85%左右(与差压变送器的正压侧膜片接触)。操作压力为0.59MPa，操作温度为482℃(差压变送器测量膜片处温度为常温)。采用差压变送器测量差压值。

3.仪表情况

品牌:兰炼富士。

型号:FKCT36V5-LUCYY-BA。

差压变送器膜片材质:316L。

测量范围:0~200kPa。

信号类型:4~20mA模拟量。

差压变送器现场安装图如图1-19所示。

(二)故障描述及处理过程

1.故障前工艺情况

工艺正常，差压值在104kPa左右。

2.故障现象详细描述

33-PDT-0101差压值正常应为104kPa左右，故障时逐渐下降到42kPa，判断33-PDT-0101差压值显示异常，差压趋势如图1-20所示。

3.影响范围

33-PDT-0101差压值显示偏低，对工艺设备无任何影响。

4.仪表及系统处理过程

(1)对差压变送器正引压管线进行排放、疏通和试漏检查，未发现堵塞、泄漏现象。

(2)对差压变送器进行打压测试，首先验证差压变送器回零正常输出为4mA，然后对差压变送器正压侧进行0kPa、50kPa、100kPa、150kPa、200kPa五点打压，发现当打压信号在0~60kPa时差压变送器的测量值为0kPa，输出为4mA，打压信号超过60kPa后差压变送器才能测出压力，且始终偏差60kPa。由此判断，差压变送器的正压侧膜片故障。之后将差压变送器解体，发现差压变送器正压侧膜片变形、弹性变差现象，判断是由于差压变送器正压侧膜片变形导致的差压测量值偏低。

(3)更换新的差压变送器，将其量程和单位设置为与旧差压变送器一致，然后进行打压测试，确认无误后投用，差压值显示正常。

5.故障性质

该差压变送器故障属于设备本身故障(正压侧膜片变形)，导致差压测量值偏低。

(三)故障原因分析

1.故障前仪表可靠性评价

该差压变送器一直运行正常，指示准确，未出现过故障。

2.失效分析

(1)直接原因:差压变送器正压侧膜片变形、弹性变差。

(2)间接原因:装置的仪表设备检修与装置设备大检修同步(检修周期为3年)，该差压送器在2018年装置设备大检修时进行打压测试，测试结果正常(按差压变送器检修规程，只对差压变送器进行打压测试，检查差压变送器精度及线性情况，不对其进行解体检查测量膜片)。根据本次故障检查情况判断，由于该差压变送器正压侧膜片长期接触85%浓度的氢气，导致差压变送器测量膜片材质发生变化(存在氢脆现象)，出现膜片变形、弹性变差现象。

(四)防范措施及建议

1.经验总结

(1)根据案例的故障现象，首先要分析可能引起差压值偏低的原因，然后根据分析结果进行逐一排查，快速找到故障原因，并解决故障问题。

(2)根据现场工况分析，本案例中差压变送器测量值偏低的原因有以下三方面:①现场工艺工况的差压值确实偏低:②引压管线有堵塞、泄漏现象(差压变送器正压侧引压管线堵塞或泄漏会导致差压值偏低，负压侧引压管线堵塞或泄漏会导致差压值偏高):③差压变送器本身故障(电路板输出故障或测量膜片故障)也可能造成差压变送器测量值偏低。

2.防范措施

在装置设备大检修时，除对涉及测量介质为氢气的差压变送器进行打压测试外，还应将其解体重点检查膜片是否有变形现象，如有异常及时更换。

3.改进建议

(1)对差压变送器膜片材质进行升级，选用镀金材质。

(2)对测量氢气介质的差压变送器进行周期性更换，2个大检修周期(6年)更换1次。

(五)知识拓展

氢脆现象介绍及对差压(压力)变送器测量膜片的影响

氢是自然界质量最小的原子，本身不具备腐蚀性，但是渗透能力极强。由于氢原子的尺寸远远小于金属原子，因此在高温高压作用下氢气可以解离成氢原子并渗透进入金属材料的晶格点阵的间隙位置。这一渗透过程主要经历如下步骤:

(1)氢气(H2)与金属材料(M)表面发生碰撞，此时金属材料(M)表面物理吸附微量氢气(H2)形成混合物(H:M)，即H:+M→H₂M。

(2)混合物(H:M)与金属材料(M)外表面继续反应，形成吸附在金属材料外表面的氢原子(HadM)，这一过程被称为化学吸附过程，并且高温高压的条件可促进该过程，即HM +M→2HadM。

(3)当金属材料(M)外表面吸附的氢原子(HadM)达到饱和后会逐步溶解扩散，形成渗透在材料内部的原子氢(MHad)，即HadM→MHad。

(4)环境温度和压力降低后原子氢(MHad)逐步析出，在金属材料(M)内部重组成氢分子(Hz)，即2MHad→2M+H2。由于氢分子的尺寸远大于氢原子，因此氢分子残留在金属材料内部无法“逃逸”，金属材料内部会出现裂纹导致材料脆化，这种情况被称为氢脆现象。

差压(压力)变送器是一种将压力信号转化成电信号进行控制和远传的设备，其核心元件是单晶硅谐振式传感器及测量膜盒。差压(压力)变送器工作时测量膜盒的测量膜片接触测量介质，通过测量膜片内侧密封灌充的硅油传导液将测量压力传递到微型真空腔体的弹性元件(谐振梁)上，导致弹性元件产生微小形变位移，其位移程度与压力呈正比关系。差压(压力)变送器通过单晶硅谐振式传感器及微处理器将微小形变位移转变为4~20mA远传电信号，可用于测量介质压力。为了减少传递过程中的压力损耗并防止被测量介质腐蚀，一般选择具有一定弹性和防腐蚀性能的金属薄壁材料(厚度介于40~80μm之间，各设备供货商略有不同)制作测量膜片，常见的测量膜片材质有316L不锈钢、哈氏合金、钽、钛等诸多类型。由于测量膜片厚度不足0.1mm，常规的差压(压力)变送器在恶劣工况(高温高压且存在较高浓度氢气的场合)下极易出现氢脆现象并受到影响，导致测量膜片韧性退化，失去弹性，出现空腔鼓包或者裂纹。随着时间推移，氢分子甚至可以穿透测量膜片进入隔离硅油传导液，出现气泡，这不但会增大压力传递过程中的损耗，会直接干扰差压(压力)变送器的测量效果，导致压力变送器零点漂移、输出不稳定，出现测量误差使压力测量参数波动，更为严重的情况下甚至损坏仪表导致事故发生。

注：本文摘自仪表圈编辑的《仪表问答》，感谢仪表圈的团队！