★江苏盛虹石化产业集团有限公司高鹏，许启洲

关键词：氟塑料；差压液位计；酸性环境；氢气脆化

1　引言

在化工行业中，液位测量是生产过程控制的关键环节之一。液位计采用的接液材质（如316L、钽、锆等）虽具一定耐蚀性，但在特殊介质中仍存在失效风险。

近年来，随着材料科学的进步，诸多新型材料被广泛应用于液位计制造领域。其中，氟塑料因其卓越的耐腐蚀性能和化学稳定性，逐渐成为高要求环境下差压液位计的理想选择。

本文通过分析传统材料选型存在的问题，重点探讨氟塑料类材质在酸性与含氢环境下的抗腐蚀能力、稳定性表现以及在实际工艺中的应用成效，进而为液位计的选型与工程实践提供理论支撑和实践依据。

2　氟塑料盖或者涂层膜片与差压液位计结合应用的优势

316L不锈钢作为液位计常用基体材料，具备良好的机械强度和一定的耐蚀性，而在其表面复合PFA盖或PTFE氟塑料涂层，由于这些材料具有以下显著特点：

（1）极强的耐腐蚀性：能有效抵御浓硫酸、氢氟酸、盐酸等强腐蚀介质，确保长期稳定运行。

（2）高温稳定性：可在-180℃~+260℃范围内保持良好的物理化学特性，适用于高温高压环境。

（3）优异的电绝缘性能：能有效防止电流泄漏，确保测量精度。

（4）非粘附性：表面摩擦系数低，不易粘附介质，减少清理和维护需求。

这些特性进一步增强了其在极端环境下的化学稳定性：提高了液位计在复杂工况中的适应性，尤其适用于腐蚀性强、温度高、含有还原性气体（如氢气）的工况，能够有效解决钽材膜片在含氢环境中易发生氢脆的技术瓶颈，从而提升测量设备的稳定性和使用寿命，提升了仪表系统的整体可靠性。

3　实际应用案例分析

3.1　应用背景

2023年11月，江苏盛虹石化产业集团有限公司新建的甲基丙烯酸甲酯（MMA）生产在投产运行一周后，酯化釜和水解釜的多台差压液位计出现介质外泄现象，造成液位测装置量失效。

该装置的关键设备如反应釜与管道系统采用钽材和锆材等特殊耐腐蚀金属，因此差压液位计选用了艾默生罗斯蒙特的3051系列+1199系列钽材隔离膜片的差压液位计，以匹配整体耐腐蚀等级。

3.2　第三方专业检测机构失效分析与结论

钽在所有浓度的硫酸中具有极强的耐腐蚀性能，且在低于150°C的条件下一般不会被腐蚀。

所以针对损坏的差压液位计，我们百思不得其解，于是送至中国特种设备检测研究院进行了失效分析：

（1）第三方检测结果

第三方检测结果如图1所示。首先，对失效的液位计变送器的钽材接液部位进行了细致检查，发现伸入管外层钽材和波纹状薄膜片金属光泽可见，未见明显腐蚀迹象。然而，变送器前端的钽材薄膜片已发生破裂并露出内部316L，伸入管本体剖开后发现内衬表面无金属光泽，存在大幅腐蚀减薄且局部区域完全腐蚀漏空，裸露出钽材外层（与安装公司确认其拆卸、安装时未见伸入管壁破坏），说明硫酸介质进入了伸入管内部产生腐蚀。

其次，对伸入管的母材进行金属材质分析，发现伸入管本体和薄膜片母材：

H元素含量明显高于ASTMB708-12的标准要求的上限值，说明钽材内溶解了大量氢原子，符合氢脆特征；

O元素略高于标准要求，可能是硫酸环境加速氧化反应形成氧化钽造成。

第三，进一步通过扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等手段观察失效膜片及管材的断口形貌，结果表明具有典型的脆性断口特征，说明断口为脆性断裂，与氢脆导致的断裂模式高度一致。

图1 第三方检测结果

（2）失效机理

钽材氢脆有三种典型机理：

·电偶腐蚀机制：当钽与低碳钢、镍、铅或哈氏合金B等形成电偶接触，在酸性水介质中易形成原电池，钽成为阴极后吸收氢原子，导致氢脆；

·杂散电流机制：由邻近线路感应、漏电或地电压波动引起的杂散电流，使钽膜片成为阴极，从而累积吸收氢原子发生氢脆；

·应力诱导氢化机制：在高温强酸环境下，即便钽本身耐腐蚀，其内部应力也可能诱导氢化物沉淀，导致微裂纹萌生与扩展，最终发生脆性断裂。

根据ASM International .9th Edition《Volume 13 of the Metals Handbook—Corrosion》及文献资料表明，钽在所有浓度的硫酸中具有极强的耐腐蚀性能，且在低于150°C的条件下一般不会被腐蚀。但研究也指出，钽在含氢气的环境中，原子氢也能被钽吸收，在低于250°C温度下不与氢分子反应，但当氢超过150at%（原子百分比）时完全失去延展性并发生脆化。氢脆失效，这是其在某些特定工况下可靠性下降的关键原因。

（3）失效分析结论

根据上述综合分析后结论如下：

·该液位计钽材的失效符合氢脆性断裂特征；

图2 液位计膜片氢气渗透及破坏过程

·失效原因：失效液位计变送器在122℃、4kPaG压力及18.9%硫酸并含氢的工作环境中，前端薄膜片先发生脆化破损，导致硫酸介质进入伸入管内部，造成316L不锈钢内严重腐蚀，并释放大量氢原子与氢气。同时，硫酸进入后，内衬316L与外层R05200钽材之间形成原电池反应，使钽材处于阴极状态，进一步加剧了电偶腐蚀，最终导致膜片结构脆化并损坏，变送器输出信号波动、零点漂移甚至完全损坏。

图3

从本案实践表明，在此类高温、强酸并伴随氢气存在的严苛工况下，传统钽材膜片面临严重的氢渗透和氢脆风险，难以保障液位计的长期稳定运行与测量可靠性。

3.3　针对苛刻工况的液位计选型与改进方案

在本工况条件下，液位测量面临多重挑战：介质中含有易聚合堵塞物（如MMA聚合物）、高温（122℃）、强腐蚀性（18.9%硫酸）及氢脆风险，且成分复杂多变。根据金属材料的腐蚀特性，仅钽和锆在此温度与酸度范围内具备运行可能性。然而，钽在含氢环境中易发生氢脆，锆则存在氢渗透问题，导致膜片变形甚至失效。

目前已知的金属及合金材料在此工况下均难以实现长期稳定运行，常规膜片材质如316L、哈氏合金C等亦无法有效阻挡氢原子渗透，更无法抵御强腐蚀介质的侵蚀。因此，如何选对隔离膜片来确保设备稳定可靠运行？

针对该问题，我们采用了两种优化方案：

（1）选型改进：采用艾默生罗斯蒙特法兰型316L+CorrosionShield™PFA盖子的差压液位变送器（型号：3051CD2A22A1AS2B4K8M5Q4D4P1DOHR5+1199DJN60GFFW71DA00MA086，3”150LB）。该型号通过16微米厚CorrosionShield™PFA氟塑料盖与远传系统匹配，作为隔离膜片的外层保护（MA086），覆盖接液和垫圈部分，既保证了精度，又有效提升耐腐蚀性能。

（2）结构增强：在现有的罗斯蒙特差压液位计上316L金属隔离膜片表面进一步叠加PTFE涂层，形成双层防护屏障。

CorrosionShield™PFA盖和PTFE涂层具备优异的致密性和化学稳定性，能够防止金属与腐蚀性介质直接接触，同时有效抑制氢原子渗透，降低氢脆风险。3.4　技术方案成效

得益于上述优化方案，经过数月连续运行，在酯化釜的液位监测过程中，变送器未再出现因氢脆或氢渗透引发的膜片破裂、鼓胀或信号漂移问题。

具体表现如下：

·测量精度稳定：氟塑料保护盖或保护层有效阻止了腐蚀介质及氢原子的侵入，保障了变送器输出信号的连续性与准确性，消除了零点漂移等常见故障。

·寿命周期延长：设备连续运行数月未见膜片损伤，极大延长了液位计的使用寿命，减少了更换频率与备件储备需求，降低成本。

·维护效率提升：具有良好的抗附着性能，介质不易残留在膜片表面，大幅降低了人工清洗频率与维护工作量。

这些表现充分验证了新方案的可靠性与适应性。液位计保持良好性能，测量数据稳定准确，为酯化与水解反应系统的稳定运行提供了坚实保障，也为国内化工行业在酸性复杂环境下的液位测量提供了经济、可靠的新选择。

4　316L衬氟塑料涂层膜片液位计的局限性

虽然316L不锈钢配合氟塑料（如PTFE或PFA）涂层的膜片液位计在高腐蚀性工况下展现出良好的稳定性和耐久性，但在实际应用中仍存在以下局限性：

（1）温度适用范围有限：在高于260°C或低于-180°C的极端温度下，氟塑料材质性能可能发生变化，导致使用寿命下降，尤其在长时间运行工况中需要谨慎评估温度稳定性。

（2）对部分有机溶剂敏感：氟塑料对某些有机溶剂（如丙酮、乙腈等）存在溶胀或溶解风险，不适宜应用于富含极性有机溶剂的介质环境，否则可能造成涂层损伤甚至失效。

（3）机械强度相对较低：相较于金属材料，氟塑料具有较低的机械强度和抗冲击能力，在高机械应力或频繁振动的工况下可能发生蠕变或局部变形，影响设备稳定运行。

·PTFE材质柔软，摩擦系数低，但易发生冷流与蠕变，适用于低应力、防粘附场合。

·PFA相较PTFE具有更高的机械强度和更优的耐应力开裂性能，更适用于对膜片强度和耐久性要求较高的应用场景。

5　结论

本文通过对差压液位计结合氟塑料材质远传密封在高温、强腐蚀性及含氢环境下应用的实际案例分析，证实了氟材料在极端工况下具备出色的耐腐蚀性、抗氢渗透性以及稳定的测量性能。对比传统钽材和锆材液位计，新方案有效克服了氢脆与氢渗透问题，在高腐蚀性和含氢环境下展现出显著优势，提升了设备的可靠性与使用寿命，同时显著降低了使用成本。

然而，在某些极端工况下，该类材料仍存在一定的适用限制。因此，在液位计选型过程中，应充分评估实际工况需求，结合必要的优化措施，确保设备的长期稳定运行，为高端工业测量提供更加高效、可靠且安全的解决方案。

作者简介：

高鹏（1993-），男，辽宁抚顺人，仪表工程师，本科，现就职于江苏盛虹石化产业集团有限公司，研究方向为自动化与应用。

许启洲（1979-），男，安徽安庆人，仪表主任工程师，现就职于江苏盛虹石化产业集团有限公司，研究方向为自动化与应用。

摘自《自动化博览》2025年12月刊