碳钢氢扩散测量.docx

碳钢氢扩散测量 1. 金属中氢的危害石油天然气输送管线、锅炉酸洗过程由于腐蚀析氢使得原子氢在没有形成氢分子之前就已经渗入钢铁的内部,使其内部原子氢的浓度不断增加,原子氢在钢的内部积累导致钢制设备的韧性下降脆性增加,产生氢损伤并引发突发性恶性破坏事故。因此工业上需要有一种智能型原子氢探测技术来检测或监测钢铁结构中氢腐蚀的速率,钢铁中原子氢的含量,并显示设备内部由于氢的积集将要发生腐蚀破坏的危险性。自从1962 年电化学科学家 Devanathan 和 Stachursk i提出了一种电化学方法来研究氢在金属中的渗透速率以后,人们不断开发许多适合于工程应用的原子氢电化学传感器, Yamakawa 等设计的氢传感器是采用 1mol/L 的 NaOH 溶液为电解液,***电极为参比电极,在被测的金属构件表面镀镍用恒电位仪控制极化电位范围为 (vs Hg/HgO) 来进行氢渗透监测,在监测氢之前先要进行表面镀镍处理。 Hg/HgO 参比电极是有毒的物质,在工程上应用会对环境造成有害的影响, 为此本装置中采用了无毒性的饱和甘***电极代替 Hg/HgO 参比电极,该装置能够测量金属中氢含量以及氢的扩散速率等。 2. 氢传感器的测量原理 Devanathan-Stachurski 发明测定金属中原子氢的扩散速率的电化学方法见图1所示,测量装置是由两个互不相通的电解池组成左端是充氢室(阴极室), 电解充氢时试样的 C面是施加的是阴极电流 ic,发生反应,产生原子氢一部分复合成分子氢放出,另一部分扩散进入试样内部;试样 A端是另一电解池的阳极,当加上阳极恒定电位后,从 C面扩散过来的氢原子在试样的A面被电氧化,即而产生阳极电流 ia。如果不存在表面反应(通过在碳钢表面镀钯或镀镍以及加上足够大的阳极电位就可抑制表面反应的进行),则经过一定的时间后从 C面产生的原子氢在到达A面后将全部被氧化,即试样A面上的原子氢的浓度c A =0 , 这时原子氢的氧化电流 Ia达到最大值称为稳态电流密度用 Imax 表示,故达到稳态时,根据 Fick 第一定律得(1) 式中: F为法拉第常数; D为扩散系数; Δ x=L 为试样的厚度, c A =c 1 =0, 因为 A端H原子已全部氧化成为 H+ ;c 0 =c C是充氢端浓度,当充氢电流 Ic恒定时,它也是常数, 故式(1) 也可写成: Imax= FDc 0 /L,或 c 0=L× Imax /DF (2) 通过测量渗氢电流密度 Imax ,即可由式(2) 计算出钢中的原子氢的浓度。 It/Imax= 所对应的滞后时间 tL,代入公式来计算不同温度下的扩散系数 D值,典型的渗氢电流曲线如图 2所示。,分析该曲线可得到氢在金属中的扩散系数、材料中的氢浓度、氢陷阱数以及氢致开裂的行为等;测量阴极超电位并绘制超电位与时间的关系曲线,结合氢渗电流与时间的关系曲线可分析材料出现异常氢致开裂时氢在材料内部的行为机理。 3. 测试步骤在电化学氢渗透研究中,氢渗过程大致可分为四个阶段:第一阶段称为抽氢阶段,目的在于将试样中残存氢完全抽出。一般认为,在阳极电流密度小于 m A/cm 2时,材料中的氢