可燃气体探测器的中毒与灵敏度衰减
零点检查不是灵敏度检查 · 仪表典型失效模式 · 在线安全
全文约 2400 字 | 阅读约 6 分钟 | 图表 2 张 | 难度 ★★★☆☆ |
装置区一处法兰渗漏，巡检人员先闻到了味道，随身的便携式检测仪叫了起来。
头顶三米处就装着一台固定式可燃气体探测器。从泄漏开始到处理完毕，它的读数始终是 0，没有报警，没有故障，四线制回路电流稳稳停在 4 mA。
事后调出维护记录：这台探头每月巡检一次，记录本上连续两年都是同样四个字——零点正常。
记录没有造假，巡检也确实做了。问题在于，对一台催化燃烧式探头来说，零点正常这四个字，几乎不包含任何关于它还能不能报警的信息。
零点检查检的是电桥有没有平衡，
不是催化剂还有没有活性。
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01
为什么中毒的探头不会报故障
催化燃烧式传感器的结构是一对铂丝线圈：一只表面涂有催化剂，叫检测元件；另一只做过钝化处理，不参与催化，叫补偿元件。两者接在惠斯通电桥的相邻臂上，通电加热到工作温度。
洁净空气中，两只元件的散热条件相同、温度相同、电阻相同，电桥保持平衡，输出为零。当可燃气进入时，检测元件表面发生无焰催化燃烧，温度升高、电阻增大，电桥失衡，输出与气体浓度成正比的信号。补偿元件则只感受环境温度和风速的变化，用来抵消共模影响。
中毒发生在催化剂上。硅氧烷类物质在高温下分解，生成的二氧化硅沉积在催化剂表面，把活性位点一层层封死；含铅、含磷化合物同样是永久性的；硫化氢和卤代烃则属于抑制，通入洁净空气后可能部分恢复。
关键在于：这些过程只削弱催化能力，不改变铂丝线圈本身的电阻特性。所以在洁净空气中，中毒的检测元件与补偿元件依然处于同样的热平衡状态，电桥依然平衡，输出依然是零。
零点，是这台探头身上最后失去的东西。
图 1 催化元件不同失活程度下的输入输出关系（示意，斜率为工程假设值）。横轴刻度上的 20、36、80 表示各自触发 20 %LEL 报警所需的真实浓度
图上三条线的差别只有斜率。新品在真实浓度 20 %LEL 时刚好报警；灵敏度衰减到 55 % 的探头，要等到真实浓度 36 %LEL 才报警；衰减到 25 % 的那条，真实浓度必须达到 80 %LEL——已经接近爆炸下限——输出才勉强触及报警值。
如果衰减再严重一些，比如降到 20 % 以下，那么无论环境浓度怎么升高，这台探头的读数都到不了报警设定值。它会一直保持正常，直到爆炸。
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02
中毒源经常来自维护活动本身
催化燃烧元件的敌人，多数不是工艺介质，而是人带进去的东西。
常见的硅源 硅酮密封胶、玻璃胶 防水喷剂、脱模剂 含硅润滑脂与消泡剂 某些油漆与防腐涂层 保温施工用的密封材料 | 其他失活源 四乙基铅等含铅物 含磷阻燃剂、磷酸酯油 氟利昂与氯代清洗溶剂 高浓度硫化氢（抑制） 长期高浓度气体冲击 |
典型的场景是这样的：装置检修，附近做保温或防腐，施工用了含硅材料；或者有人用防水喷剂处理接线盒；又或者仪表班清洗探头外壳时用了含氯溶剂。这些操作在任何一份检修方案里都不算违规，也不会留下痕迹。
几周之后，探头的灵敏度已经掉了一半。它没有报故障，零点依然干净，下一次巡检依然会记录正常。
两年干净的巡检记录，证明的是
这台探头一直没有被真正测试过。
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03
另外两类传感器的失效方式不一样
现场常见的三类可燃气与有毒气传感器，失效机理差别很大，不能套用同一套维护逻辑。
图 2 三类传感器的失效方式对比（寿命为典型量级，实际取决于工况与厂商）
红外点式没有催化剂，原理上不会中毒，而且它有一个催化燃烧式不具备的优势：双通道结构中的参考通道可以与测量通道比对，光路污染、光源衰减都能被自身检出并上报。这是一个真正意义上的在线诊断。
但红外式有一个必须记住的盲区——它靠气体分子的红外吸收工作，而氢气是双原子同核分子，在红外波段没有吸收峰。含氢工况若选了红外式，探头是彻底看不见氢气的。这类场合只能用催化燃烧式，于是又回到了中毒的问题上。
电化学式用于硫化氢、一氧化碳等有毒气体检测，情况介于两者之间：零点同样稳定，灵敏度随电解液消耗和电极老化逐年下降，寿命末期衰减会明显加快。部分产品带有电极阻抗自检，但覆盖范围有限。
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04
唯一能确认灵敏度的方法
要知道一台探头还剩多少灵敏度，只有一个办法：给它通已知浓度的标准气，看它的输出。
这件事有两个层次，现场经常混为一谈。
响应测试。通标气，确认探头有响应、报警能触发。它回答的是「这台探头今天还活着吗」，不调整任何参数，耗时几分钟。
校准。用零气和标气重新标定零点与量程，把读数调回准确。它回答的是「读数准不准」，需要调整参数并记录。
IEC 60079-29-2 是这类设备选择、安装、使用与维护的指导标准，其中对功能检查与校准的方法、周期和记录都有规定。周期没有放之四海的统一值——通常初期按较短间隔执行，积累若干个周期的漂移数据后，再依据实测结果决定是否延长。工况中存在已知中毒源的场合，间隔应当缩短而不是延长。
还有一个容易被忽略的早期征兆：响应时间。中毒初期，灵敏度尚未明显下降，但达到稳定读数所需的时间会先变长。如果每次响应测试都记录 T90，这条曲线的变化往往比读数本身更早发出预警。
从功能安全的角度看这件事 气体探测器通常是安全仪表功能的输入元件，其失效率要计入 PFD 计算。 催化元件中毒属于危险未检出失效——后果危险，而在线诊断查不到。 把这类失效降到可接受水平，靠的不是诊断，而是缩短证明测试间隔。 换句话说：通标气的频次，本身就是安全完整性的一部分。 |
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05
能做什么
把响应测试写进巡检表，替换掉零点检查。巡检记录上应当出现的是标气浓度、实测读数、响应时间，而不是「零点正常」四个字。没有通气，就等于没有检查。
在检修方案里管住中毒源。涉及硅酮胶、防水剂、含氯溶剂的作业，应在方案中标明附近探头的位置，作业期间做隔离或临时拆除，作业后补做一次响应测试。
选型时先问氢气。含氢工况不能用红外式。若同时存在氢气和已知中毒源，应考虑抗中毒型催化元件、双技术探头，或改用其他检测原理。
记录灵敏度趋势，而不只是合格与否。每次响应测试的实测读数应当留档并画成趋势。灵敏度是缓慢下滑的，只有趋势能看出它正在往哪里走；单次的合格判定看不出。
它不会告诉你它坏了。
催化剂的活性，探头自己也测不到。
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▽ 参考资料（5 项）
· IEC 60079-29-1 爆炸性环境 第29-1部分：气体探测器 可燃气体探测器的性能要求
· IEC 60079-29-2 第29-2部分：可燃气体和氧气探测器的选择、安装、使用和维护
· IEC 60079-29-4 第29-4部分：开路式可燃气体探测器的性能要求
· GB 15322 可燃气体探测器（系列标准）
· IEC 61511 过程工业安全仪表系统（证明测试与危险未检出失效）
留言区 你所在装置的可燃气探头，多久通一次标气？ 巡检表上写的是「零点正常」，还是实测读数？ |