Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
По мере того как промышленность переходит на использование водорода в качестве чистого источника энергии, потребность в надежной технологии измерения давления становится как никогда высокой. Однако водород создаёт уникальные задачи. Например, во многих процессах с водородом возможна диффузия ионов водорода, что может привести к его проникновению и охрупчиванию металлов, вызывая преждевременный выход из строя измерительных приборов.
Проникновение водорода происходит, когда высокое давление и температура вызывают расщепление молекул H₂ на ионы водорода. Эти ионы достаточно малы, чтобы проникать через тонкую кристаллическую решётку металлических мембран, таких как те, что используются во многих датчиках давления и разделительных мембранах.
В приборах, где металлические мембраны передают давление системы — либо непосредственно на тензометрический датчик, либо через изолированный жидкостью датчик, соединённый с тензометром — мембрана становится слабым звеном системы. Попав внутрь мембраны, ионы вновь объединяются в молекулы H₂ в изоляционной жидкости и образуют пузырьки водорода, что нарушает работу датчика давления и со временем приводит к смещению нуля и шкалы или к поломке прибора.
Водород используется во многих промышленных применениях и процессах, включая:
При выборе приборов для работы с водородом ключевыми факторами являются материал и конструкция.
1. Полностью сварные приборы с рабочими материалами 316L или A286
Датчики с полностью сварной конструкцией и материалами с плотной кристаллической решёткой, такими как нержавеющая сталь 316L и сплав A286, обладают повышенной стойкостью к повреждениям, вызванным водородом.
2. Золотое покрытие мембран
Использование мембран из нержавеющей стали 316L с золотым покрытием, предлагаемых для разделительных мембран, создаёт сверхплотную решётку, которая служит барьером для ионов водорода и значительно повышает сопротивляемость мембраны проникновению водорода.
3. Рабочий диапазон давления
Помимо структуры решётки материала, проникновение водорода также зависит от давления в системе. Чем выше давление, тем больше сила, воздействующая на мембрану. Эта сила растягивает кристаллическую решётку материала, позволяя большему количеству ионов водорода проникать внутрь.
Исходя из этого, следует выбирать материал, который не только имеет плотную кристаллическую решётку, но и способен выдерживать диапазон давления конкретного применения.
Хрупкость под воздействием водорода возникает, когда атомы водорода проникают в металлические компоненты, снижая их пластичность и делая их склонными к внезапным хрупким разрушениям. Этот феномен, также известный как водородное растрескивание или водородная коррозия, может проявляться как в газовой, так и в водной среде водорода.
Как и водородная проницаемость, охрупчивание обусловлено способностью водорода проникать в металлические структуры — но в данном случае результатом является не дрейф показаний, а разрушение материала.
Как это происходит:
Когда молекулы водорода (H₂) диффундируют, они создают ионы водорода, которые являются одними из самых маленьких ионов в мире и могут проникать в микроскопические дефекты или неровности на поверхности металлов, таких как высокопрочные стали, титановые сплавы, алюминиевые сплавы и электро-литийная медь. Попав внутрь металла, атомы могут вновь объединяться в молекулы H₂. По мере накопления молекул внутри материала создаётся внутреннее давление.
Со временем это внутреннее напряжение может привести к образованию трещин, даже если материал подвергается нагрузкам ниже предела текучести. Результатом становится внезапное и зачастую катастрофическое разрушение металла.
Кроме общего определения, специалисты NASA, работающие с водородом, разработали Индекс HEE. Этот инструмент оценки материала определяет степень воздействия водородного охрупчивания на конкретные материалы. Они также выделили несколько типов:
Подобно проникновению водорода, при выборе приборов для защиты от водородной хрупкости критически важны материал и конструкция прибора. Однако факторы риска здесь другие.
Например, некоторые стратегии предотвращения, такие как выбор нержавеющей стали 316L или использование золотого покрытия, помогают при проникновении водорода и могут снизить риск хрупкости при тонких материалах или минимальных нагрузках. Для предотвращения хрупкости, где основной риск — структурное растрескивание или разрушение, внимание следует уделять высокой механической нагрузке, прочности материала и длительному воздействию водородного давления.
Для безопасной работы с водородом рекомендуется использовать датчики давления с материалами из нержавеющей стали 316L. Для диапазонов давления 5 000 psi и выше рекомендуется использовать мембраны из сплава A286, сохраняющие плотную кристаллическую решётку при давлениях до 20 000 psi, и избегать датчиков, заполненных маслом, которые могут создавать пузырьки и дрейф сенсора.
