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3.6 腐蝕性介質的流量測量

3.6.1 腐蝕現象

腐蝕是金屬在其環境中由于化學作用而遭受破壞的現象。一切金屬與合金對于某些特定環境可以是耐腐蝕的,但是在另一些環境中卻對腐蝕又很敏感。一般來說,對于所有環境都耐腐蝕的工業用金屬材料是不存在的。

腐蝕可以分為均勻腐蝕(uniform corrosion)或全面腐蝕(general corrosion)與局部腐蝕(localized corrosion)。全面腐蝕的腐蝕速度可用mm/a等單位來表示。通常將腐蝕速度在0.1mm/a以下的材料作為耐腐蝕材料[37]。對于腐蝕速度較此再大一個數量級,也即腐蝕速度為1mm/a材料,對于一般設備有時可酌情定為可以使用的材料。對于流量儀表的測量元件,則是不容許的。根據腐蝕速度的大小,可以預測金屬的使用壽命。

3.6.2 腐蝕性介質對流量測量儀表的損害

     介質的腐蝕性對流量測量儀表是個嚴重威脅,只有像夾裝式超聲波流量計等個別種類的流量計受腐蝕影響較小。

a.           腐蝕性介質將流量測量儀表與介質直接接觸的關鍵零部件腐蝕,使之損壞,喪失功能。例如,腐蝕造成差壓變送器膜片損壞,硅油外漏而完全失效。電磁流量計電極因腐蝕引起介質外泄,導致勵磁線外圈燒毀等。

b.             流量測量儀表的關鍵零部件長時間受腐蝕性介質的腐蝕而改變幾何尺寸,導致儀表準確度降低。例如,轉子流量計中的轉子被流體腐蝕后,外形尺寸減小,導致流量示值偏低。又如渦街流量計中的旋渦發生體被流體腐蝕而寬度尺寸減小,迎流面表面變得粗糙,從而引起流量系數改變。就連受腐蝕介質影響較小的夾裝式超聲波流量計,也常因金屬管內壁被介質腐蝕的坑坑洼洼,使發射和接收信號變弱,嚴重時喪失靈敏度。

c.             縮短儀表壽命。例如金屬管轉子流量計中的錐形管等零部件,使用幾年后,其焊接處被穿爛。

d.             腐蝕性介質滲漏,如不及時發現、及時處理,還容易釀成安全和人身事故。

3.6.3 對流量測量中流體腐蝕的措施

(1)定期更換儀表  腐蝕性介質對金屬的腐蝕,情況是多種多樣的。有的腐蝕速度很快,即全面腐蝕,有的腐蝕是輕微的,速度很慢,即局部腐蝕。在作儀表選型時應針對具體情況具體分析,然后作出決策。

例如壓縮空氣和水,一般認為是無腐蝕,其實不然。由于城區大氣中氮氧化合物濃度一般均較高,當它被壓縮空氣中的冷凝液吸收后,冷凝液即呈酸性,從而對碳鋼材具有輕度腐蝕。這種情況在硫酸廠、硝酸廠、氯堿廠等廠區,問題更嚴重些。當然,這時壓縮空氣中所含的除了稀硝酸外,可能還有硫酸、鹽酸等。水的情況也相似,尤其是河水,由于其中含有多種離子,也對碳鋼產生腐蝕。在這種條件下使用的儀表,若干年后也會出現被腐蝕的痕跡。例如,停車檢修發現流量節流裝置中的碳綱環室與流體接觸的表面被蝕,變得坑坑洼洼,嚴重時幾何尺寸和形狀都發生很大變化。而前后直管段內壁也變得高低不平。這種狀況都不符合檢定規程要求,難以保證原有的儀表精確度。

這時就產生一個命題,即是否設計選型要將節流裝置中的環室以及前后直管段也改為不銹鋼材質?當然,如果改為不銹鋼材質,環室和直管段的腐蝕問題肯定迎刃而解,但同時,投資增加了。而且投資增加數同管徑有關,如果公稱通徑較大,則投資增加就是個不小的數字。所以決策時應根據測量點的測量精確度要求、腐蝕嚴重程度、預期壽命、預算承受能力等,權衡利弊得失,靈活掌握。如果測量精確度要求不高(如用于過程監視、控制),輕度腐蝕,碳鋼材料預期壽命10年以上,改為不銹鋼投資增加較多,那么,寧可待環室等被腐蝕得無法繼續使用時,再將節流裝置整體或損壞部分予以更新。

(2)避重就輕  避重就輕是在對工藝流程和有關介質特性深入了了解的基礎上,合理選擇測量方案,同樣達到計量或對生產過程進行控制的目的,避開腐蝕性強的部位,而選在腐蝕性較輕的部位,甚至更改被調參數種類。例如(如果可行的話)將流量定值調節系統用液位均勻調節或其他合適的變量調節代替,從而避開流量測量儀表耐腐蝕的難題。

例如,進污水處理廠的污水流量一般都要測量,以便控制污染物排放總量。而污水一般或偏酸性或偏堿性,而且相應地要加入適量得堿或酸予以中和。那么,考慮污水對流量儀表的腐蝕,當然流量檢測點選在中和之后更好一些。

鋼廠荒煤氣的流量測量也有類似情況;拿簹庵谐3:幸欢〝盗康亩趸,這種氣體在干燥的時候腐蝕性并不大,但荒煤氣離開爐窯后,隨著輸送距離的增長,氣體溫度逐漸降低,濕度相應升高,并很快出現凝液而具有較強的腐蝕性?紤]煤氣流量測量儀表安裝位置時,當然應當選在氣體出現凝液之前。

(3)選擇具有耐腐蝕特性的儀表

① 一般酸性介質的儀表選型。渦街流量傳感器和渦輪流量傳感器,與流體接觸的部分為耐酸鋼,一般酸性液體和氣體都能使用。

用耐酸綱制成的橢圓齒輪流量計,可以滿足一般酸性液體精確計量的需要。

至于某一公司的具體的某個產品是否適用于某用戶的特定介質,除了查閱有關樣本和資料外,還需向制造商詳細咨詢,能做出承諾更好。有經演的制造商積累了大量常用材料使用介質范圍和腐蝕范圍速度的數據,還有一些是某些材料不適用介質范圍的數據,這非常寶貴,表3.13所示是上海光華愛而美特公司提供的電磁流量計電極材料耐腐蝕特性表[6]。但因腐蝕性介質多種多樣,有些介質在現成的資料中往往找不到答案,這時可與制造商聯系,由用戶提供腐蝕性介質,制造商提供待試材料,在規定條件下掛片試驗。

               表3.13  常用電極材料及其使用范圍

電極材料

特點及適用范圍

耐酸綱 1Cr18Ni9Ti

含鉬耐酸綱

0Cr18Ni12MoTi(相當于316L)

主要用于生活工業用水、原水、下水、廢物水及稀酸等弱腐蝕性酸、堿鹽液,價格最低

哈氏合金B

低濃度鹽酸等非氧化性酸和非氧化性鹽液適用,硝酸等氧化性酸不適用

哈氏合金C

對常溫硝酸、其他氧化性酸、氧化性鹽液有耐腐蝕性,鹽酸等還原型酸和氯化物不適用

耐腐蝕性略優于耐酸鋼,對氯化物、次氯酸鹽、海水有優良的耐腐蝕性,對常溫硝酸等氧化性酸有耐腐蝕性,鹽酸、硫酸等還原性酸不適用

具有和玻璃相似的優越耐腐蝕性,除氫氟酸、發煙硫酸等少數酸(參見表8.4)外,大部分酸液適用,氫氧化鈉等堿液不適用

鉑、鉑銥合金

對幾乎所有酸堿液耐腐蝕,王水、銨鹽以及少數介質不適用,價格昂貴

② 導電液體的儀表選型。電磁流量計的測量管內襯材料有多種,其中耐腐蝕性能最好的是聚四氟乙烯。電極材料也有好幾種,能滿足絕大多數腐蝕性介質的需要。文獻[38]列有(美)Foxboro公司《襯里和電極材料的選用表》。在選擇電極材料時,應以滿足需要為原則,不要迷信貴金屬,因為貴金屬也不是萬能的。表3.14所列就是鉑銥合金和鉭不耐腐蝕的化學介質。當然表中列入的液僅僅是示例,而非全部。

表3.14鉑銥合金和鉭不耐腐蝕的化學性質

化學液體介質

鉑銥合金

其他材料

氟化鋁(Aluminum fluoride)

硝酸鋁(Aluminum nitrate)

氟化銨(Ammonium fluoride)

氫氧化鋇(Barium hydroxide)

二氧化氯(Chlorine dioxide)

氯化銅(Copper fluoride)

氯化銅(Copper chloride)40%

氯氧銅(Copper oxychloride)

氯化鐵(Ferric chloride)

氯化鋅(Zinc chloride)50%

氟硅酸(Fluosilicic acid)10%~40%

氫溴酸(Hydrobromic acid)50%

氫氟酸(Hydrofluoric acid)10%~20%

氫氟硅酸(Hydrofluosilicic acid)35%

次氯酸(Hypochlorous acid)10%~20%

乙酸鉛(Lead acetate)

氫氧化鎂(Magnesium hydroxide)

氫氧化鉀(Potassium hydroxide)10%~40%

氰化鈉(Sodium ferrocyanide)

氫鐵酸鈉(Sodium ferrocyanide)

氫亞鐵酸鈉(Sodium ferricyanide)

氟化鈉(Sodium fluoride)5%~50%

氫氧化鈉(Sodium hydroxide)5%~5%

硫酸(Sulfuric acid)10%~50%

100%

硫代硫酸鈉(Sodium thiosulfate)

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

 

A

A

A

A

A

A

A

B

B

A

B(哈氏合金C)

B(哈氏合金C)

B(哈氏合金C)

B(哈氏合金C)

B(哈氏合金C)

A(哈氏合金C)

①     摘自參考文獻[6],137。

注:A——優先選用的材料(實際上有極長的使用壽命);

B——令人滿意的材料(在大多數條件下有較長的使用壽命);

X——不能使用。

 其他像鉑電電極的觸媒作用也引起人們關注。在化工生產中,鉑是一種性能很好的催化劑,某些介質在一定條件下與鉑接觸后就發生化學反應,已被證明的有雙氧水。鉑電極電磁流量計在測量雙氧水時,會在電極表面生成氣霧,流量為零時,輸出也會波動。

  選擇合適的電極材料和內襯材料測量腐蝕性介質流量,如果流體溫度也在允許范圍之內,那是理想的選擇,其測量精確度可以達到(0.3~1)%R。其口徑從幾毫米到3m,各種規格齊全,能滿足各種測量范圍的需要,但若流體不導電,電磁流量計就無能為力了。

③不導電液體的儀表選型。夾裝式超聲流量計工作時流體不與儀表直接接觸,所以適用于各種腐蝕性流體。

夾裝式超聲流量計按其原理分類有兩種,其中時差法適用于潔凈單相流體,精確度與管徑和流速有關,例如Panametics公司的AT系列儀表。

a.       管徑>150mm時, >0.3m/s,不確定度為±2%R(經標定可達±1%R); ≤0.3m/s,不確定度為±0.01m/s。

b.       管徑≤150mm時, >0.3m/s,不確定度為±5%; ≤0.3m/s,不確定度為±0.05m/s。

而多普勒法流量計適用于固相含量較多或含有氣泡的液體,不確定度只能達到±1%~±10%,顯然比電磁流量計低得多,因此只在無其他更好的辦法時才采用。其價格與管道直徑無關,在DN≤200時,超聲波儀表比電磁流量計貴,而在DN≥250時,超聲流量計比電磁流量計便宜。

④腐蝕性氣體儀表選型

a.           超聲流量計。近年來,國內外天然氣工業獲得了迅速發展,這大大推動了天然氣計量儀表的發展,其中專門為天然氣計量而開發的多聲道超聲流量計就是一顆耀眼的明珠,這一技術如果經移植用于腐蝕性氣體流量測量,應當是可行的,因為只要對測量管內壁作防腐蝕處理即可。但具體應用實例現在還未見報道。另外有一種情況還不容樂觀,即這種流量計價格太高,有待于制造商降低成本,下調售價。

 近年開發的配有夾裝式換能器的超聲流量計,若管道本身耐腐蝕,就不必考慮儀表的耐腐蝕問題。例如,管道使用耐腐蝕內襯,但此內襯與金屬管之間如果存在氣隙,也會為夾裝式超聲流量計帶來麻煩。

對于無耐腐蝕內襯的金屬管道,其內壁經長時間腐蝕往往變的高低不平,常會造成“V”形和“W”形安裝的換能器聲波發射不一致,所以信號強度變弱,嚴重時甚至無法正常測量。這些都是使用超聲流量計時應當注意的。

b.           節流式差壓流量計,F在還未見報道適用于腐蝕性介質的定型商品化節流式差壓流量計,但是用戶自行開發的此類儀表,在幾十年前就有報道,其中有很成功的氯氣流量測量。

  工藝設備專業對付腐蝕性氣體的技術幾十年前就已很成熟,例如,各種不同直徑管道襯橡膠、襯玻璃、襯聚四氟乙烯等。儀表專業借用此優勢,由工藝專業將耐腐蝕性能極佳的微晶玻璃孔板,交工藝專業夾裝在工藝管道上,然后在孔板前后由工藝專業各留一個管口,儀表專業將法蘭式差壓變送器安裝在管口上。變送器的隔離膜片最初用含鉬不銹鋼,為了解決其耐腐蝕問題,在此膜片上再貼一層聚四氟乙烯隔離默片(見圖3.84)。

圖3.84耐磨蝕節流式差壓流量計

1-雙法蘭差壓變送器;2-測量頭;3-聚四氟乙烯膜片;4-耐腐蝕孔板;5-工藝管道內襯;6-工藝管道

   這樣的防腐蝕方法有時仍不夠理想,差壓變送器的不銹鋼膜片使用一段時間后,仍發現有針孔狀腐蝕,即不銹鋼膜片上出現數個直徑極小的孔洞,經研究確認是流體中的離子穿透聚四氟乙烯膜片,與不銹鋼膜片接觸,將其腐蝕。于是儀表制造廠在膜片材質上進一步作了改進,例如,提供鉭膜片雙法蘭差壓變送器。但是,正像前面所說過的,鉭膜片不能解決所有問題,也只是使得到解決的問題更多一些。

耐腐蝕節流式差壓流量計的另一個解決方案是用隔離液將耐腐蝕能力較差的儀表同強腐蝕流體隔離開來,其典型的結構如圖3.85所示。儀表中常用的隔離液請參閱參考文獻[39]。其中,強腐蝕氣體常用的有氟油(屬三氟氯乙烯聚合物)[39]等。該解決方案中的差壓變送器其差壓測量上限可以比雙法蘭差壓變送器小得多,但是氟油較貴,隔離容器仍要用耐腐蝕材料制造,所以也很費事。

圖3.85中的隔離容器,在自控設計手冊中有詳細圖紙,但不全合用,而且結構尺寸也太大,F在新型號差壓變送器,膜盒位移極微

,

圖3.85充隔離液的節流式差壓流量計

1-工藝管道;2-工藝管道內襯;3-耐腐蝕材質隔離容器;4-引壓管;5-差壓變送器

因此隔離容器截面積很小就夠了。為了節約隔離液,隔離容器的容積縮小到圖紙推薦的1/5已足夠。

流量測量儀表耐腐蝕是個長期的話題,新材料、新方法、新經驗年年都有報道。對于一些冷門的介質,可查閱有關文獻,如《腐蝕數據與選材手冊》[40]。

 

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