ABB 的H-Shield 膜片涂层技术如何帮助压力变送器提升性能和延长寿命

氢是元素周期表中最小的一个原子，在自然界中通常以双原子状态（H2）存在，即一个分子由两个氢原子组成。氢是世界上最常见的元素，存在于包括水和酸在内的许多化合物中。

虽然氢在正常状态下不会导致腐蚀，但在接液膜片无防氢渗保护的特定情况下，它可能导致压力变送器出现测量相关的问题。本白皮书探讨了所谓的氢渗现象，它对压力变送器的影响，以及如何利用ABB 独一无二的H-Shield 技术来避免。

压力变送器：使用场合和工作原理

压力变送器用于测量过程工业中流体、气体和液体的压力。它们广泛用在工业设备中，用于确保机器在指定的参数内运行。压力变送器极为耐用，能够适用于一些极苛刻的环境，帮助确保生产流程的有效运行。

实际的压力测量原理可通过“帕斯卡定律”来解释。该定律指出，对密闭的静止流体施加外力时，该流体中的每一点所承受的压力都将增加与该外力相等的量。按照“帕斯卡定律”，一次元件内的填充流体将达到与施加在隔离隔膜上的压力相同的压力。填充流体通过

液压将该压力传递给传感器，传感器再产生相应的输出信号。

氢渗

氢渗透压力变送器膜片是造成压力变送器故障的主要原因之一。处于正常双原子状态下的氢分子无法穿透膜片。但在特定情况下，当氢分子分裂成两个足够小的、能够穿透膜片的分子结构的氢离子时，问题就出现了。一旦穿透膜片，这些离子将重新结合在一起，形成较大的、无法从隔膜穿透回去的氢分子。随着氢的聚集，它将逐渐扩散到压力变送器的填充液中，导致填充液的特性发生改变，进而损害压力变送器的性能。随着时间的推移，氢的积聚将导致膜片鼓胀，但这种鼓胀只有在拆下压力变送器时才明显。对于操作员而言，出现这一问题的第一个信号是精度的逐渐漂移，且漂移程度随着氢持续地渗透膜片而恶化。通常这个问题只有在压力变送器出现压力降低时才被发现。

诊断不出造成这个问题的原因并不少见。操作员会将压力变送器性能的恶化归咎于漂移等其他因素。此时，他们的解决方案通常只是将设备归零。虽然这种解决办法短期内可能有效；但随着氢持续地积聚直至导致设备失效，导致问题发生的实际根本原因并未得到解决。某些特殊的工艺过程具有更大的氢渗风险，如压力高于1000 psi（68.95 bar）或温度超过176° C（350° F）时，这可能加剧氢分子从无害的双原子状态分解成单原子态的过程。该风险也存在于管道设备由不同材料制成的应用中，这会通过电偶腐蚀加剧原子氢的产生。这在管道中的水充当电解质的水测量应用中更是个常见问题。

解决方案

解决氢渗问题不存在一劳永逸的办法。取决于过程介质中的氢离子可能浓度，结合过程本身的压力和温度，可采取不同的解决方案来帮助实现可靠的测量。这些解决方案往往采用以下方法：

1. 对于低温、低压和低浓度的应用，且尤其是在过程流体不“流动”至变送器膜片时，可选择适用于氢且并非最昂贵的变送器选项。

2. 对于所有其他应用，保护仪器免于氢渗的最常用方法是防止氢离子穿透膜片。应使用具有低含量镍的金属，从而在可能时避免金属——如钽或非钝化应用实践中的哈氏合金C——直接接触可能含有或产生氢离子的过程介质。

ABB 的产品组合包含镀金的、由哈氏合金C 和蒙乃尔合金制成的膜片选项。然而，虽然镀金具有不错的保护力，但必须注意的是，它对防止氢渗并非百分百有效。

随着金等贵金属的价格达到历史新高，加上镀金并不能百分百防止所有氢渗发生，客户和OEM 都有兴趣寻找能解决氢渗问题还能降低材料成本的替代解决方案。

为何选择H-Shield ？

相比镀金，H-Shield 提供一层具有下列优势的薄膜：

H-Shield 技术简介

ABB 找到的答案是其钛基二元纳米涂层，被称为“H-Shield”。使用气相沉积工艺（VPD）技术——在其他工业过程中常被用于给金属制作先进涂层——制作的“H-Shield”，在整个膜片表面形成一层厚度一致的保护涂层。由于其致密的分子结构，“H-Shield”具有最强大的抗氢渗能力，同时仍能保持膜片随压力条件变化而移动的柔韧性。在ABB 开展的实验室试验中，“H-Shield”显示出是其他材料（如哈氏合金HC 和金）最多20 倍的防氢渗保护力。在现场应用中，“H-Shield”成功展现出其能承受会导致非ABB 压力变送器失灵或每18-24 个月必须更换一次的环境的能力。
过去5 年，安装了采用“H-Shield”技术的ABB 设备的客户，从未报告过任何氢渗故障。

H-Shield：压力变送器保护的全新标准

作为一个经常被忽视的问题，氢渗会对压力变送器的测量精度和成本造成巨大影响，导致许多设备经常尚未到达预期使用寿命的一半即宣布失效。而且，未能正确地追踪问题的根本原因，以及未能确保采取防止问题发生的必要保护措施，使得公司陷入一个令人沮丧且成本高昂的、因为同一原因而不断需要购买新设备的恶性循环。
虽然许多过程都会发生氢渗，但可通过了解过程介质中的氢离子浓度和运行工况，并采取相应的防范措施，来控制这一现象。虽然镀金等贵金属过去可能提供了不错的保护力，但如今已经取得了新的技术突破，它们能帮助压力变送器在现场更有效地发挥作用，从而帮助工业企业降低成本，减少计划外停工，并提升生产率。

H-Shield 帮助一家加拿大炼油厂的压力变送器抗氢渗

为了证明“H-Shield”的性能，该涂层技术被应用到加拿大的一家炼油厂进行了检验。该工厂加工通过船舶、铁路和管道接收的北美和海外原油。该炼油厂拥有巨大的原油、中间产品和精炼产品存储能力，还可用其加压储罐储存液化石油气。

该公司联系ABB 的渠道合作伙伴，请求解决其压力变送器因氢渗而失效的问题。为了解决这个问题，ABB 向该公司提供了一台带远程密封膜片H-Shield 的266 差压变送器。该变送器自2016 年被安装以来，从未出现过氢渗问题，这使其能够实现持续的高精度测量，同时不存在任何因故障而导致的测量中断。