★江蘇盛虹石化產業集團有限公司高鵬，許啟洲

關鍵詞：氟塑料；差壓液位計；酸性環境；氫氣脆化

1　引言

在化工行業中，液位測量是生產過程控制的關鍵環節之一。液位計采用的接液材質（如316L、鉭、鋯等）雖具一定耐蝕性，但在特殊介質中仍存在失效風險。

近年來，隨著材料科學的進步，諸多新型材料被廣泛應用于液位計制造領域。其中，氟塑料因其卓越的耐腐蝕性能和化學穩定性，逐漸成為高要求環境下差壓液位計的理想選擇。

本文通過分析傳統材料選型存在的問題，重點探討氟塑料類材質在酸性與含氫環境下的抗腐蝕能力、穩定性表現以及在實際工藝中的應用成效，進而為液位計的選型與工程實踐提供理論支撐和實踐依據。

2　氟塑料蓋或者涂層膜片與差壓液位計結合應用的優勢

316L不銹鋼作為液位計常用基體材料，具備良好的機械強度和一定的耐蝕性，而在其表面復合PFA蓋或PTFE氟塑料涂層，由于這些材料具有以下顯著特點：

（1）極強的耐腐蝕性：能有效抵御濃硫酸、氫氟酸、鹽酸等強腐蝕介質，確保長期穩定運行。

（2）高溫穩定性：可在-180℃~+260℃范圍內保持良好的物理化學特性，適用于高溫高壓環境。

（3）優異的電絕緣性能：能有效防止電流泄漏，確保測量精度。

（4）非粘附性：表面摩擦系數低，不易粘附介質，減少清理和維護需求。

這些特性進一步增強了其在極端環境下的化學穩定性：提高了液位計在復雜工況中的適應性，尤其適用于腐蝕性強、溫度高、含有還原性氣體（如氫氣）的工況，能夠有效解決鉭材膜片在含氫環境中易發生氫脆的技術瓶頸，從而提升測量設備的穩定性和使用壽命，提升了儀表系統的整體可靠性。

3　實際應用案例分析

3.1　應用背景

2023年11月，江蘇盛虹石化產業集團有限公司新建的甲基丙烯酸甲酯（MMA）生產在投產運行一周后，酯化釜和水解釜的多臺差壓液位計出現介質外泄現象，造成液位測裝置量失效。

該裝置的關鍵設備如反應釜與管道系統采用鉭材和鋯材等特殊耐腐蝕金屬，因此差壓液位計選用了艾默生羅斯蒙特的3051系列+1199系列鉭材隔離膜片的差壓液位計，以匹配整體耐腐蝕等級。

3.2　第三方專業檢測機構失效分析與結論

鉭在所有濃度的硫酸中具有極強的耐腐蝕性能，且在低于150°C的條件下一般不會被腐蝕。

所以針對損壞的差壓液位計，我們百思不得其解，于是送至中國特種設備檢測研究院進行了失效分析：

（1）第三方檢測結果

第三方檢測結果如圖1所示。首先，對失效的液位計變送器的鉭材接液部位進行了細致檢查，發現伸入管外層鉭材和波紋狀薄膜片金屬光澤可見，未見明顯腐蝕跡象。然而，變送器前端的鉭材薄膜片已發生破裂并露出內部316L，伸入管本體剖開后發現內襯表面無金屬光澤，存在大幅腐蝕減薄且局部區域完全腐蝕漏空，裸露出鉭材外層（與安裝公司確認其拆卸、安裝時未見伸入管壁破壞），說明硫酸介質進入了伸入管內部產生腐蝕。

其次，對伸入管的母材進行金屬材質分析，發現伸入管本體和薄膜片母材：

H元素含量明顯高于ASTMB708-12的標準要求的上限值，說明鉭材內溶解了大量氫原子，符合氫脆特征；

O元素略高于標準要求，可能是硫酸環境加速氧化反應形成氧化鉭造成。

第三，進一步通過掃描電鏡（SEM）和電子背散射衍射（EBSD）等手段觀察失效膜片及管材的斷口形貌，結果表明具有典型的脆性斷口特征，說明斷口為脆性斷裂，與氫脆導致的斷裂模式高度一致。

圖1 第三方檢測結果

（2）失效機理

鉭材氫脆有三種典型機理：

·電偶腐蝕機制：當鉭與低碳鋼、鎳、鉛或哈氏合金B等形成電偶接觸，在酸性水介質中易形成原電池，鉭成為陰極后吸收氫原子，導致氫脆；

·雜散電流機制：由鄰近線路感應、漏電或地電壓波動引起的雜散電流，使鉭膜片成為陰極，從而累積吸收氫原子發生氫脆；

·應力誘導氫化機制：在高溫強酸環境下，即便鉭本身耐腐蝕，其內部應力也可能誘導氫化物沉淀，導致微裂紋萌生與擴展，最終發生脆性斷裂。

根據ASM International .9th Edition《Volume 13 of the Metals Handbook—Corrosion》及文獻資料表明，鉭在所有濃度的硫酸中具有極強的耐腐蝕性能，且在低于150°C的條件下一般不會被腐蝕。但研究也指出，鉭在含氫氣的環境中，原子氫也能被鉭吸收，在低于250°C溫度下不與氫分子反應，但當氫超過150at%（原子百分比）時完全失去延展性并發生脆化。氫脆失效，這是其在某些特定工況下可靠性下降的關鍵原因。

（3）失效分析結論

根據上述綜合分析后結論如下：

·該液位計鉭材的失效符合氫脆性斷裂特征；

圖2 液位計膜片氫氣滲透及破壞過程

·失效原因：失效液位計變送器在122℃、4kPaG壓力及18.9%硫酸并含氫的工作環境中，前端薄膜片先發生脆化破損，導致硫酸介質進入伸入管內部，造成316L不銹鋼內嚴重腐蝕，并釋放大量氫原子與氫氣。同時，硫酸進入后，內襯316L與外層R05200鉭材之間形成原電池反應，使鉭材處于陰極狀態，進一步加劇了電偶腐蝕，最終導致膜片結構脆化并損壞，變送器輸出信號波動、零點漂移甚至完全損壞。

圖3

從本案實踐表明，在此類高溫、強酸并伴隨氫氣存在的嚴苛工況下，傳統鉭材膜片面臨嚴重的氫滲透和氫脆風險，難以保障液位計的長期穩定運行與測量可靠性。

3.3　針對苛刻工況的液位計選型與改進方案

在本工況條件下，液位測量面臨多重挑戰：介質中含有易聚合堵塞物（如MMA聚合物）、高溫（122℃）、強腐蝕性（18.9%硫酸）及氫脆風險，且成分復雜多變。根據金屬材料的腐蝕特性，僅鉭和鋯在此溫度與酸度范圍內具備運行可能性。然而，鉭在含氫環境中易發生氫脆，鋯則存在氫滲透問題，導致膜片變形甚至失效。

目前已知的金屬及合金材料在此工況下均難以實現長期穩定運行，常規膜片材質如316L、哈氏合金C等亦無法有效阻擋氫原子滲透，更無法抵御強腐蝕介質的侵蝕。因此，如何選對隔離膜片來確保設備穩定可靠運行？

針對該問題，我們采用了兩種優化方案：

（1）選型改進：采用艾默生羅斯蒙特法蘭型316L+CorrosionShield?PFA蓋子的差壓液位變送器（型號：3051CD2A22A1AS2B4K8M5Q4D4P1DOHR5+1199DJN60GFFW71DA00MA086，3”150LB）。該型號通過16微米厚CorrosionShield?PFA氟塑料蓋與遠傳系統匹配，作為隔離膜片的外層保護（MA086），覆蓋接液和墊圈部分，既保證了精度，又有效提升耐腐蝕性能。

（2）結構增強：在現有的羅斯蒙特差壓液位計上316L金屬隔離膜片表面進一步疊加PTFE涂層，形成雙層防護屏障。

CorrosionShield?PFA蓋和PTFE涂層具備優異的致密性和化學穩定性，能夠防止金屬與腐蝕性介質直接接觸，同時有效抑制氫原子滲透，降低氫脆風險。3.4　技術方案成效

得益于上述優化方案，經過數月連續運行，在酯化釜的液位監測過程中，變送器未再出現因氫脆或氫滲透引發的膜片破裂、鼓脹或信號漂移問題。

具體表現如下：

·測量精度穩定：氟塑料保護蓋或保護層有效阻止了腐蝕介質及氫原子的侵入，保障了變送器輸出信號的連續性與準確性，消除了零點漂移等常見故障。

·壽命周期延長：設備連續運行數月未見膜片損傷，極大延長了液位計的使用壽命，減少了更換頻率與備件儲備需求，降低成本。

·維護效率提升：具有良好的抗附著性能，介質不易殘留在膜片表面，大幅降低了人工清洗頻率與維護工作量。

這些表現充分驗證了新方案的可靠性與適應性。液位計保持良好性能，測量數據穩定準確，為酯化與水解反應系統的穩定運行提供了堅實保障，也為國內化工行業在酸性復雜環境下的液位測量提供了經濟、可靠的新選擇。

4　316L襯氟塑料涂層膜片液位計的局限性

雖然316L不銹鋼配合氟塑料（如PTFE或PFA）涂層的膜片液位計在高腐蝕性工況下展現出良好的穩定性和耐久性，但在實際應用中仍存在以下局限性：

（1）溫度適用范圍有限：在高于260°C或低于-180°C的極端溫度下，氟塑料材質性能可能發生變化，導致使用壽命下降，尤其在長時間運行工況中需要謹慎評估溫度穩定性。

（2）對部分有機溶劑敏感：氟塑料對某些有機溶劑（如丙酮、乙腈等）存在溶脹或溶解風險，不適宜應用于富含極性有機溶劑的介質環境，否則可能造成涂層損傷甚至失效。

（3）機械強度相對較低：相較于金屬材料，氟塑料具有較低的機械強度和抗沖擊能力，在高機械應力或頻繁振動的工況下可能發生蠕變或局部變形，影響設備穩定運行。

·PTFE材質柔軟，摩擦系數低，但易發生冷流與蠕變，適用于低應力、防粘附場合。

·PFA相較PTFE具有更高的機械強度和更優的耐應力開裂性能，更適用于對膜片強度和耐久性要求較高的應用場景。

5　結論

本文通過對差壓液位計結合氟塑料材質遠傳密封在高溫、強腐蝕性及含氫環境下應用的實際案例分析，證實了氟材料在極端工況下具備出色的耐腐蝕性、抗氫滲透性以及穩定的測量性能。對比傳統鉭材和鋯材液位計，新方案有效克服了氫脆與氫滲透問題，在高腐蝕性和含氫環境下展現出顯著優勢，提升了設備的可靠性與使用壽命，同時顯著降低了使用成本。

然而，在某些極端工況下，該類材料仍存在一定的適用限制。因此，在液位計選型過程中，應充分評估實際工況需求，結合必要的優化措施，確保設備的長期穩定運行，為高端工業測量提供更加高效、可靠且安全的解決方案。

作者簡介：

高鵬（1993-），男，遼寧撫順人，儀表工程師，本科，現就職于江蘇盛虹石化產業集團有限公司，研究方向為自動化與應用。

許啟洲（1979-），男，安徽安慶人，儀表主任工程師，現就職于江蘇盛虹石化產業集團有限公司，研究方向為自動化與應用。

摘自《自動化博覽》2025年12月刊