用于滲透氫測量的裝置和方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測定具有另外氣體的混合物中的氫濃度的裝置。
[0002]該裝置可用于在化學或電化學浴中的表面處理過程中測定或跟蹤金屬工件中吸收的氫產(chǎn)物。
[0003]該裝置還可用于監(jiān)控金屬工件(例如腐蝕環(huán)境中使用的或與石油化學工業(yè)中的包括氫的氣體接觸的、供電設備中的或氫產(chǎn)生/分布設施中的、特別是高溫下使用的部件中的管)中的腐蝕和氫滲透。
[0004]該裝置還可進一步用于進行焊接接頭的非破壞性試驗。
[0005]該裝置還可用于評估氫在固體材料、特別是金屬中的擴散性。
【背景技術(shù)】
[0006]眾所周知，與金屬工件系統(tǒng)地接觸的氫可降低金屬工件的強度。這是真實的，特別是，在鋼的情況下。實際上，如在一些工藝環(huán)境中的情況，與氫氣的長期接觸可導致氫被吸收進金屬中。超過一定程度，這可使氫脆增加。例如，化學或電化學表面處理工藝(例如電流處理、酸洗、化學銑削或電拋光)已知用于處理金屬工件。這些工藝通過在處理浴中以H+離子存在的氫的還原反應來發(fā)生。這樣，產(chǎn)生可留在被處理的工件內(nèi)且可導致脆裂的原子氫。
[0007]各種程序已知用于評估工業(yè)電處理工藝中氫脆的風險。例如，ASTM F519-10提供了對必須根據(jù)特定程序制備的大量樣本的破壞性試驗。ASTM F 326-96提供了處理過程中氫吸收參數(shù)的測量、和隨后的脫氫處理過程中其滲透性的測量。這些程序的缺點是太貴。此夕卜，其不直接且不是及時的試驗。換言之，使用與被實際處理的工件不同的樣品，且為了得到試驗結(jié)果必須等待一定時間。因此，如果結(jié)果不可接受，可能需要召回已派送或甚至已使用的工件，這導致了很大的錢財損失和其他缺點。此外，以上提到的程序不允許為了在處理過程中限制工件中的氫吸收而實時調(diào)整可變的工藝，且其沒有提高工藝效率。
[0008]以上情況對其中使用酸溶液處理金屬工件的表面以除去氧化表面層的處理也適用。例如，酸洗通常通過氫產(chǎn)生來發(fā)生，其可導致氫脆。此外，酸溶液可能侵蝕金屬。
[0009]因此，需要一種裝置，通過該裝置可連續(xù)跟蹤電流處理或如酸洗的處理中的氫吸收，以便可提供實時數(shù)據(jù)，且優(yōu)選地，通過該裝置可進行工藝控制以防止氫脆。
[0010]還已知的是，金屬工件的漆包工藝可引起被處理工件的氫吸收和表面脆化。實際上，當準備漆包釉料時，溫度通常達到800°C與850°C之間。這些情況下，漆包混合物中存在的一些水被金屬工件的鋼的離子催化地分離，因此形成被吸收進工件且然后在工件中擴散的氫。在隨后的工件的冷卻中，氫趨于移動回到工件表面，在工件表面氫遇到不可滲透的漆包層。氫的壓力可使該層變質(zhì)和弱化。這是所謂的“魚鱗”缺陷。
[0011]因此，需要用于初步滲透試驗的裝置以評估金屬工件是否可以在不導致該性能的情況下被漆包。
[0012]傳統(tǒng)地用于初步滲透試驗的裝置為Devanathan-Stachurski電池，其包括氫產(chǎn)生半電池和測量半電池。該電池允許測量氫在金屬中的擴散性。該裝置是復雜的，因為存在必須安裝在一起的兩個半電池，因為必須保證緊密連接且為了其他次要的原因。此外，該試驗具有很長周期。因此，需要一種用于進行氫滲透初步試驗或用于測量氫在金屬材料中的擴散性的裝置，該裝置比現(xiàn)有技術(shù)的裝置更方便用戶且更可靠。
[0013]為了測量金屬工件中氫的含量，使用已知為解吸器的裝置，解吸器包括爐，該爐中布置有隨后被密封在石英管內(nèi)的樣品。然后將樣品加熱以導致被吸收的氫出來和隨氣流離開該爐。該流中的氫濃度被監(jiān)控、求積分且與樣品的重量比較，因此獲得樣品中包含的氫的定量測量。解析器相當麻煩且昂貴，且還涉及很大的操作和維護成本。此外，解析器僅允許破壞性試驗。因此，需要比常規(guī)解析器更便宜的、涉及更低操作和維護成本、且更方便用戶的用于測定金屬工件中包括的氫的含量的裝置。還需要該裝置用于進行非破壞性試驗。
[0014]還已知的是，金屬材料的腐蝕過程中的至少一個步驟通過產(chǎn)生氫發(fā)生。氫產(chǎn)生取決于腐蝕強度。該裝置還已知用于監(jiān)控氫的流量，作為腐蝕事件的指示。這些裝置包括電流型傳感器，其也不提供滿意的可靠度和強度。
[0015]眾所周知，氫越來越多地用作能量媒介/燃料，例如，用于給機動車提供動力。特別地，氫氣分布設施和網(wǎng)絡被發(fā)展為包括自助栗。為了該設施的安全性，需要裝置實時檢查用于運送和儲存氫氣的導管和氣瓶的金屬中是否可能發(fā)生氫脆。現(xiàn)在，沒有可以可靠地檢測和通知該氫脆風險的裝置。
[0016]US2009/0277249A1描述了通過使包含氫的混合物與密封元件接觸且通過測量以分子氫的形式穿過該密封元件的氫的量來測定密封元件的質(zhì)量的方法和裝置。還提到了該相同技術(shù)的、用于進行部件中的滲透試驗的用途，其中氫仍以分子形式穿過該部件。該技術(shù)不允許測定密封元件中存在的氫的含量，且不允許測定密封元件中的氫擴散性。因此，US2009/0277249A1不能評估密封元件的脆裂風險，而是評估密封元件的緊密度，即密封元件中損失了多少氫。
[0017]EP1114992A2中，使用了一種帽形收集元件，該帽形收集元件設有用于收集來自工件表面的氫的螺旋形肋，且還使用了電流型傳感器。
[0018]W02011/131897A1描述了一種用于監(jiān)控運送腐蝕流體的金屬導管中的腐蝕率的方法，其中設有布置為當裝置安裝在金屬導管的壁上時形成腔的裝置，該腔用于容納透過導管壁的氫氣。該方法包括用于消除腔的金屬組分的處理步驟、測量腔中容納的氫的量的步驟，以評估導管金屬的腐蝕率。甚至在這種情況下，滲透氫的測量為滲透率測量，由于腐蝕，滲透率提高，但是這不能導致導管壁中存在的氫的含量或壁中的氫擴散性被測定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于檢測金屬工件或制品中的氫的存在、和用于評估是否可能發(fā)生腐蝕過程或氫脆風險的裝置。
[0020]本發(fā)明的一個特別的目的是提供一種用于確定氫是否存在于金屬工件中、和用于評估由于涉及氫產(chǎn)生的處理工藝(例如電流處理、酸洗、化學銑削或電拋光)中金屬工件的氫脆產(chǎn)生的腐蝕裂化風險的裝置。
[0021]本發(fā)明的另一特別的目的是提供一種用于對金屬進行氫滲透初步試驗以評估氫擴散性和/或以預見相同金屬的工件在如漆包工藝的表面處理過程中的性能的裝置。
[0022]本發(fā)明的另一特別的目的是提供一種用于確定氫是否存在于設備的工件中、且用于評估設備的工件(例如用于運送和/或處理和/或儲存例如待使用于機動車的配電設施中的氫氣的管和容器)的氫有關(guān)風險的裝置。
[0023]本發(fā)明的又一個特別的目的為提供一種用于通過氫滲透測量識別化學/能量制造工業(yè)中使用的管和容器元件的腐蝕工藝的裝置。
[0024]本發(fā)明的一個特別目的為測定工件中存在的氫的含量和/或氫在工件中的擴散性，以及將該含量和/或擴散性與由于氫弱化或脆化率產(chǎn)生的工件的裂化風險相關(guān)聯(lián)。
[0025]這些和其他目的通過一種用于測量通過滲透以氫原子的形式被工件吸收的氫的含量以表征工件與可弱化或?qū)е鹿ぜ嗔训谋晃盏臍渲g的相互作用的裝置來實現(xiàn)，該裝置包括:
[0026]-探頭，該探頭包括:
[0027]-收集裝置，用于容納從工件散發(fā)出的一定量的被吸收的氫；
[0028]-入口孔，用于測量氣體、特別是環(huán)境空氣；
[0029]-混合腔，該混合腔布置為與入口孔和收集元件氣連通，該混合腔用于混合測量氣體和從工件散發(fā)出的一定量的氫，以便形成氣態(tài)混合物，該氣態(tài)混合物中從工件散發(fā)出的一定量的氫從原子形式變?yōu)榉肿有问剑?br>[0030]-固態(tài)傳感器，該固態(tài)傳感器布置為用于測量氣態(tài)混合物中的氫濃度，該固態(tài)傳感器與混合腔氣連接(氣動連接、氣壓連接，pneumatically communicate)以與氣態(tài)混合物接觸，該固態(tài)傳感器用于響應氣態(tài)混合物的氫濃度產(chǎn)生測量信號；
[0031 ]-氣體傳輸裝置，該氣體傳輸裝置布置為用于產(chǎn)生以預定流速從入口孔朝向固態(tài)傳感器流動的測量氣體流，該流布置為用于協(xié)助氣態(tài)混合物在混合腔中形成且與固體傳感器接觸；
[0032]-處理器裝置，該處理器裝置與固態(tài)傳感器功能地連接以接收測量信號，該處理器裝置包括程序裝置，該程序裝置用于處理測量信號和計算與工件和被吸收的氫之間的相互作用有關(guān)的至少一個參數(shù)。
[0033]本身已知的固態(tài)傳感器還用于氫，但僅用于測量可形成在環(huán)境中的氣體-氫混合物中的氫濃度，而不用于測量金屬或其他材料的工件中吸收且通過這些工件的表面散發(fā)出的氫。使用固態(tài)傳感器的優(yōu)點為其不包括電極，因此其不需要使用特定液體或凝膠，即可能有毒或有害的化學物質(zhì)。
[0034]以氫原子的形式被吸收的氫滲透進工件的過程由于工件內(nèi)部與其周圍環(huán)境之間的被吸收的氫濃度梯度而發(fā)生，在周圍環(huán)境中氫以分子形式存在且具有非常低的濃度，通常為約0.5ppm。
[0035]在根據(jù)另一示例性實施例的裝置中，探頭的收集元件包括用于散發(fā)出的一定量氫的進入開口，且包括用于將探頭布置為使進入開口面對工件的裝置，以便從工件散發(fā)出的一定量的氫穿過該進入開口以進入混合腔。該裝置對于以工件中吸收的氫進行測量是有用的。
[0036]特別地，用于將探頭布置為使進入開口面對工件的裝置用于緊固探頭以使開口布置為與工件接觸。固定裝置可為常規(guī)固定裝置，特別地，其可包括機械裝置，例如螺桿-螺紋裝置、法蘭裝置以及焊接裝置。可選地，或另外，該固定裝置可為磁裝置，例如，如果工件包括可被磁材料吸引的金屬，該固定裝置可包括磁材料制成的探頭的至少一部分。
[0037]本發(fā)明的目的還通過一種用于測量從工件散發(fā)出的一定量的氫以表征工件與以氫原子的形式被工件吸收的氫之間的相互作用的方法，該方法包括以下步驟:
[0038]-將混合腔與工件鄰近布置，以便從工件散發(fā)出的一定量的氫可進入混合腔；
[0039]-以預定流速將測量氣體、特別是環(huán)境空氣的流引入混合腔；
[0040]-在混合腔中形成測量氣體與從