در صنایع مختلف، از پتروشیمی و پالایشگاه گرفته تا نیروگاه‌ها و خطوط انتقال انرژی، استفاده از ترانسمیتر فشار برای پایش دقیق شرایط فرآیندی امری حیاتی است. با این حال، یکی از پدیده‌هایی که می‌تواند عملکرد این تجهیزات مختلف در فرایند را تحت تاثیر قرار دهد، نفوذ هیدروژن (Hydrogen Permeation) است.
نفوذ هیدروژن به معنای عبور یون‌های بسیار کوچک H⁺ از میان دیافراگم‌های فلزی نازک است. این دیافراگم‌ها وظیفه دارند فشار فرآیند را به مایع پرکننده منتقل کنند، اما هنگامی که یون‌ها به داخل مایع نفوذ کنند، به صورت مولکول H₂ مجدداً ترکیب شده و حباب تشکیل می‌دهند. تجمع این حباب‌ها در طول زمان می‌تواند کارایی و دقت ترانسمیتر فشار را به شدت کاهش دهد.
مکانیزم‌های نفوذ هیدروژن
نفوذ هیدروژن به دو شکل اصلی رخ می‌دهد:
- بین‌نشینی (Interstitial): در این حالت یون‌های هیدروژن از میان فضاهای خالی موجود در ساختار شبکه فلزی عبور می‌کنند بدون آنکه شبکه جابجا شود.
- جانشینی (Vacancy): در برخی موارد، شبکه فلز دارای نقاط خالی است و یون هیدروژن می‌تواند در این فضاها جای گیرد و مسیر نفوذ پیدا کند.
در هر دو حالت، نتیجه یکسان است: حباب‌های هیدروژن در مایع شکل گرفته و موجب تغییر در عملکرد ترانسمیتر می‌شوند.
چرا نفوذ هیدروژن مشکل‌ساز است؟
اثرات این پدیده به مرور زمان آشکار می‌شوند و شامل موارد زیر هستند:
- تغییر نقطه صفر و اسپن (Zero & Span Drift): باعث می‌شود داده‌های اندازه‌گیری از حالت واقعی منحرف شوند.
- کاهش دقت اندازه‌گیری: در فرآیندهایی که به دقت بالا نیاز دارند، حتی خطای کوچک می‌تواند خسارت‌های بزرگی ایجاد کند.
- آسیب فیزیکی به دیافراگم: در شرایط شدید، حباب‌ها می‌توانند دیافراگم را متورم کرده و موجب ترک‌خوردگی شوند. این پدیده به‌طور غیررسمی “Jiffy-Pop” نامیده می‌شود.
- خرابی کامل تجهیز: ترک دیافراگم منجر به نشت مایع به فرآیند شده و در نهایت ترانسمیتر به طور کامل از کار می‌افتد.
عوامل مؤثر بر شدت نفوذ
شدت نفوذ هیدروژن وابسته به سه عامل کلیدی است:
- دمای دیافراگم: هرچه دما بالاتر باشد، سرعت حرکت یون‌ها بیشتر است. در محیط‌هایی با هیدروژن بالا، کاهش دما بسیار حیاتی است.
- غلظت هیدروژن در فرایند: هرچه میزان هیدروژن آزاد بیشتر باشد، احتمال نفوذ و تشکیل حباب نیز بالاتر خواهد بود.
- جنس فلز دیافراگم: ساختار کریستالی آلیاژهای مختلف تاثیر مستقیمی بر مقاومت در برابر نفوذ دارد.
راهکارهای کاهش نفوذ
۱. کنترل دما
پایین نگه داشتن دما در محل دیافراگم یکی از موثرترین راه‌ها برای کاهش سرعت نفوذ است. هرچند تعریف دقیق «دمای بالا» وابسته به شرایط فرآیند است، اما به طور کلی هرچه غلظت هیدروژن بیشتر باشد، نیاز به دمای پایین‌تر احساس می‌شود.
۲. انتخاب آلیاژ مناسب
- Hastelloy C-276: آلیاژی نیکل-کروم-مولیبدن با مقاومت خوب در برابر خوردگی، اما به دلیل شبکه نسبتاً باز، نفوذ هیدروژن در آن محتمل است.
- Monel (Ni-Cu): انتخابی رایج برای محیط‌های حاوی اسید HF است اما در برابر نفوذ هیدروژن مقاومت پایینی دارد.
۳. استفاده از پوشش‌های محافظ
- اکسید کروم (CrO): لایه‌ای محافظ از طریق فرایند پسیواسیون یا غیر فعال سازی سطح (Passivation) ایجاد می‌شود. این لایه مقاومت مشابه استیل ضدزنگ به دیافراگم می‌دهد و برای فرآیندهایی با هیدروژن کم مناسب است.
- آبکاری طلا: افزودن لایه طلا شبکه فلزی را فشرده‌تر کرده و مقاومت بالایی ایجاد می‌کند. هرچه ضخامت طلا بیشتر باشد، مقاومت در برابر نفوذ نیز بیشتر خواهد بود. این گزینه برای فرآیندهایی با حضور گسترده هیدروژن توصیه می‌شود.
کاربرد در صنعت و اهمیت انتخاب درست
در بسیاری از صنایع، از جمله تولید هیدروژن، پالایش نفت، پتروشیمی و حتی صنایع دارویی، پایداری تجهیزات اندازه‌گیری اهمیت حیاتی دارد. استفاده از ترانسمیترهایی با طراحی مناسب می‌تواند از توقف‌های ناخواسته و هزینه‌های سنگین تعمیر جلوگیری کند. به همین دلیل انتخاب تجهیزات با پوشش‌های مقاوم یا آلیاژهای مناسب بخشی جدانشدنی از مهندسی فرآیند است.
برای مثال، در محیط‌هایی که احتمال آزاد شدن یون‌های هیدروژن بالاست، استفاده از دیافراگم آبکاری‌شده با طلا ضروری است. در مقابل، اگر میزان هیدروژن اندک باشد، استفاده از پوشش CrO می‌تواند راه‌حلی مقرون‌به‌صرفه باشد.
جمع‌بندی
نفوذ هیدروژن در ترانسمیترهای فشار پدیده‌ای اجتناب‌ناپذیر است، اما با شناخت مکانیزم‌ها و به‌کارگیری راهکارهای مهندسی می‌توان اثرات آن را به حداقل رساند. مدیریت دما، انتخاب صحیح آلیاژ و استفاده از پوشش‌های مناسب سه گام اصلی برای مقابله با این چالش هستند.
صنایعی که از ترانسمیتر فشار یوکوگاوا یا سایر برندها بهره می‌برند، باید همواره این نکات را در نظر بگیرند تا دقت و پایداری فرآیند حفظ شود. در نهایت، تجربه کاربران هر صنعت بهترین منبع برای انتخاب بهینه تجهیزات و روش‌های مقابله با نفوذ هیدروژن خواهد بود.
