碳鋼氫擴(kuò)散測(cè)量.docx

碳鋼氫擴(kuò)散測(cè)量1. 金屬中氫的危害石油天然氣輸送管線、鍋爐酸洗過程由于腐蝕析氫使得原子氫在沒有形成氫分子之前就已經(jīng)滲入鋼鐵的內(nèi)部，使其內(nèi)部原子氫的濃度不斷增加，原子氫在鋼的內(nèi)部積累導(dǎo)致鋼制設(shè)備的韌性下降脆性增加，產(chǎn)生氫損傷并引發(fā)突發(fā)性惡性破壞事故。因此工業(yè)上需要有一種智能型原子氫探測(cè)技術(shù)來檢測(cè)或監(jiān)測(cè)鋼鐵結(jié)構(gòu)中氫腐蝕的速率，鋼鐵中原子氫的含量，并顯示設(shè)備內(nèi)部由于氫的積集將要發(fā)生腐蝕破壞的危險(xiǎn)性。自從1962 年電化學(xué)科學(xué)家Devanathan 和Stachurski提出了一種電化學(xué)方法來研究氫在金屬中的滲透速率以后，人們不斷開發(fā)許多適合于工程應(yīng)用的原子氫電化學(xué)傳感器，Yamakawa等設(shè)計(jì)的氫傳感器是采用1mol/L的NaOH溶液為電解液，氧化汞電極為參比電極，在被測(cè)的金屬構(gòu)件表面鍍鎳用恒電位儀控制極化電位范圍為0.15V(vs Hg/HgO)來進(jìn)行氫滲透監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)氫之前先要進(jìn)行表面鍍鎳處理。Hg/HgO 參比電極是有毒的物質(zhì)，在工程上應(yīng)用會(huì)對(duì)環(huán)境造成有害的影響，為此本裝置中采用了無毒性的飽和甘汞電極代替Hg/HgO 參比電極，該裝置能夠測(cè)量金屬中氫含量以及氫的擴(kuò)散速率等。2. 氫傳感器的測(cè)量原理Devanathan-Stachurski 發(fā)明測(cè)定金屬中原子氫的擴(kuò)散速率的電化學(xué)方法見圖1所示，測(cè)量裝置是由兩個(gè)互不相通的電解池組成左端是充氫室（陰極室），電解充氫時(shí)試樣的C面是施加的是陰極電流ic，發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生原子氫一部分復(fù)合成分子氫放出，另一部分?jǐn)U散進(jìn)入試樣內(nèi)部；試樣A端是另一電解池的陽極，當(dāng)加上陽極恒定電位后，從C面擴(kuò)散過來的氫原子在試樣的A面被電氧化，即而產(chǎn)生陽極電流ia。如果不存在表面反應(yīng)（通過在碳鋼表面鍍鈀或鍍鎳以及加上足夠大的陽極電位就可抑制表面反應(yīng)的進(jìn)行），則經(jīng)過一定的時(shí)間后從C面產(chǎn)生的原子氫在到達(dá)A面后將全部被氧化，即試樣A面上的原子氫的濃度cA=0，這時(shí)原子氫的氧化電流Ia達(dá)到最大值稱為穩(wěn)態(tài)電流密度用Imax表示，故達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)Fick第一定律得 (1)式中：F為法拉第常數(shù)；D為擴(kuò)散系數(shù)；x=L為試樣的厚度，cA=c1=0，因?yàn)锳端H原子已全部氧化成為H+；c0=cC是充氫端濃度，當(dāng)充氫電流Ic恒定時(shí)，它也是常數(shù)， 故式(1) 也可寫成：Imax= FDc0/L，或 c0= LImax/DF (2) 通過測(cè)量滲氫電流密度Imax，即可由式(2) 計(jì)算出鋼中的原子氫的濃度。圖1. 氫滲透速率測(cè)量裝置示意圖找到滲氫曲線中It/Imax=0.63 所對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間tL，代入公式來計(jì)算不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)D值，典型的滲氫電流曲線如圖2所示。圖2. 氫滲透電流曲線示意圖測(cè)量研究電極與輔助電極間的電流可得到氫滲電流與時(shí)間的關(guān)系曲線，分析該曲線可得到氫在金屬中的擴(kuò)散系數(shù)、材料中的氫濃度、氫陷阱數(shù)以及氫致開裂的行為等；測(cè)量陰極超電位并繪制超電位與時(shí)間的關(guān)系曲線，結(jié)合氫滲電流與時(shí)間的關(guān)系曲線可分析材料出現(xiàn)異常氫致開裂時(shí)氫在材料內(nèi)部的行為機(jī)理。3. 測(cè)試步驟 在電化學(xué)氫滲透研究中，氫滲過程大致可分為四個(gè)階段：第一階段稱為抽氫階段，目的在于將試樣中殘存氫完全抽出。一般認(rèn)為，在陽極電流密度小于0.5mA/cm2時(shí)，材料中的氫已被完全抽出(本階段的數(shù)據(jù)不需要記錄)。第二階段稱為正常氫滲透階段，該段需要實(shí)時(shí)記錄陽極氫滲電流，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后保存與內(nèi)存中，采樣時(shí)間間隔可設(shè)定為1s；第三階段稱為抽氫衰減階段，在這一階段,材料內(nèi)部可逆陷阱中的氫將被全部抽出，第四階段為二次充氫階段，繪制該段的氫滲曲線并與第二段的氫滲曲線進(jìn)行比較，可研究材料中不可逆陷阱對(duì)氫的影響行為。3.1.直流充氫圖3. 充氫電解池以及電極連接方式圖4. 滲氫電流測(cè)試參數(shù)設(shè)置圖方波電流充氫滲氫測(cè)試采用Q235鋼（厚度0.5mm）作為滲氫試片，圖1中電解池的陽極室為0.2mol/L KOH + 1% Na2S，然后打開工作站，設(shè)置極化電位為0.15V(vs Hg/HgO) 即0.007V(vs SCE)，然后測(cè)量其氧化電流Ia，直到Ia0.5mA/cm2，然后向電解池的陰極室中加入0.1mol/L HCl溶液（也可以是任何來自現(xiàn)場(chǎng)工礦介質(zhì)），在10mA/cm2的恒流條件下電解充氫，由于采用恒電流充氫，所以圖4中的峰頂和峰底電流均設(shè)為10mA，實(shí)驗(yàn)溫度為20，同時(shí)測(cè)量陽極室內(nèi)的氧化電流Ia以及達(dá)到最大電流Imax的時(shí)間，本根據(jù)公式(2)和公式(1)計(jì)算金屬中的氫擴(kuò)散系數(shù)。3.2.交流方波充氫本測(cè)試中電極的連接以及大部分參數(shù)的設(shè)定均與圖4中相同，但由