用于无损测量氢扩散率的设备和方法技术

提供一种测量金属结构的氢扩散率的方法。所述方法包含将氢充电表面设置在所述结构的外表面上的第一位置处，和将氢氧化表面设置在邻近于所述结构的所述外表面上的所述第一位置的第二位置处。产生氢通量并将其引导到所述充电表面处的金属表面中。检测由所述充电表面产生并转回到所述表面的所述氢通量的至少一部分，并且测量转移的氢通量的瞬态。接着基于测量到的瞬态确定所述金属结构的所述氢扩散率。

Equipment and methods for nondestructive measurement of hydrogen diffusivity

A method for measuring the hydrogen diffusivity of a metal structure is provided. The method comprises setting a hydrogen charging surface at a first position on the outer surface of the structure and a hydrogen oxidation surface at a second position adjacent to the first position on the outer surface of the structure. A hydrogen flux is generated and directed to a metal surface at the charging surface. Detecting at least a portion of the hydrogen flux generated by the charging surface and transferred back to the surface, and measuring a transient of the transferred hydrogen flux. The hydrogen diffusion rate of the metal structure is then determined based on the measured transient.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于无损测量氢扩散率的设备和方法
本专利技术涉及材料检查，并且确切地说涉及用于氢扩散率的无损测量的设备和方法。
技术介绍
氢脆化是由于氢的吸收而导致金属材料的例如拉伸强度和延展性等机械性质恶化的一种现象。这种降解降低了例如钢等金属的抗断裂性。在元素中，氢原子的直径最小。氢原子很容易吸附在金属表面上，通过在四面体/八面体位点的间隙晶格之间跳跃，氢原子从金属表面扩散到内部。氢也可能留在冶金缺陷和钢中的瑕疵处，所述瑕疵例如晶界、位错、夹杂物等。一旦原子氢被吸收，它就可能在例如缺陷、夹杂物、空隙或不连续部分等可能发生再结合反应的高应力区处沉淀。再结合可能导致脆化，最终导致开裂。随着氢累积，这种高应力区的连接允许裂纹通过金属传播。氢扩散率(DH)是金属的一种性质，其确定氢在材料中行进的速率并在氢损伤发展中起主要作用。由于压力累积速率增加，在高扩散率材料中例如氢致裂纹等氢损伤有可能增长得更快。因此，准确了解特定感兴趣材料的DH是氢损伤演化模型和寿命预测工具的关键输入。相关技术的评审表明，即使是相同的钢级，公布的DH值之间也存在显著差异(见表1)。例如，对于X65管线钢，报告的扩散率值在10-5cm2/s到10-7cm2/s范围内，这是两个数量级的变化。大的差异可以通过多种因素来解释，例如钢微观结构、试样厚度、表面制备和渗透测试条件的差异。表1由于测得的DH值的这种大的变化，重要的是直接在感兴趣的金属结构的一部分上测量DH以确保准确性。直接测量值DH接着可用作到预测模型的输入。这种直接测量的主要挑战在于，ISO17081中描述的标准测量技术本质上是破坏性的，因为它需要从感兴趣的设备中提取和加工试样。以这种方式获得试样通常不可能用于安装和操作的金属结构。ISO17081的标准技术是基于使用Devanathan和Stachurski的电化学电池，示于图1A中。电化学电池100包含充电电池110和氧化电池120。充电电池110包含铂辅助(对)电极114和甘汞参比电极118。类似地，氧化电池120包含铂辅助(对)电极124和甘汞参比电极128。样品130放置在充电电池110与氧化电池120之间。在操作中，充电电池110在暴露于充电电池的样品表面130的一侧引发氢的产生。在充电电池侧产生的一些氢通过样品扩散到氧化电池120，氢原子在所述氧化电池处被氧化。通过将样品130保持在相对于标准甘汞电极118约(+300mV)的正电势来促进氧化过程。在出口侧使用钯涂层可以进一步增强氧化过程。依据氧化电流密度变化在出口端处测量氧化氢。根据氧化电流随时间的曲线，通常使用时滞法计算DH。时滞法适合于在单个维度上确定DH，例如，氢从试样的一侧到另一侧的扩散率。所述扩散率是从一维扩散方程推导出的。用于瞬态渗透通量的分析方案在ISO-17081中提供为：其中Jperm(t)是瞬态渗透通量，JSS是稳定状态渗透通量(即，JSS＝Jperm(t＝∞))，并且τ是表示为扩散系数的函数的归一化时间，并且试样厚度L如下：归一化渗透通量与归一化时间τ的标绘图示出于图1B中(时间轴上有对数尺度)。这种曲线的实用性(在下文被称作‘标准主曲线’)在于，其独立于氢充电浓度C0、试样厚度L和氢扩散率DH。换句话说，对于满足图1A中所示的一维条件的任何氢渗透实验，对τ的标绘图将遵循此标准主曲线。此曲线的列表值在ISO标准17081中提供，使得如果已知试样厚度L和渗透瞬态Jperm(t)，那么可以从曲线上的任何点容易地确定氢扩散率DH。实际上，通常使用曲线上的点，其中此点对应于归一化时间对应于τlag的物理时间标注为tlag，因此根据定义等于从后者来看，氢扩散率DH很容易导出为：上文所论述的标准技术需要测试样品并且需要接近试样的两侧。如上所述，此技术不适用于确定领域中金属结构的氢扩散率，或不适用于多维氢渗透通量。因此，需要一种能够根据需要进行氢扩散率的现场和服务中测量的无损测量技术。本专利技术的实施例解决了这种需要。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种测量金属结构的氢扩散率的方法。将氢充电表面设置在结构的外表面上的第一位置处。此外，将氢氧化表面设置在邻近于结构的外表面上的第一位置的第二位置处。产生氢通量并将其引导到充电表面处的金属表面中。将由充电表面产生的氢通量的至少一部分转回到表面。测量转移的氢通量的瞬态，并使用此测量来确定金属结构的氢扩散率。在一些实施例中，所述方法进一步包括将氢通量传感器定位在氧化表面的近侧，以便接收转移的氢通量。在一些实施方案中，氢通量传感器测量所接收的氢通量的压力。氢通量传感器可包含离子泵。在用于测量氢扩散率的方法的一些实施例中，氢扩散率是使用基于菲克(Fickian)扩散模型的直接模拟技术来确定，所述菲克扩散模型使用基于实验设备的初始条件。这些实施例的实施方案包含设定氢扩散率的值，使用氢扩散率的设定值执行扩散模型，将菲克扩散模型的结果与使用实验设备的结果进行比较，以及利用不同的氢扩散率值重复先前步骤，直到扩散模型的结果与使用实验设备的结果之间达到最接近的匹配。在用于测量氢扩散率的方法的替代实施例中，使用特定实验设备设计的模拟主图来确定氢扩散率，所述模拟主图与几何尺寸和实验参数无关。这些实施例的实施方案包含对每个参数执行灵敏度分析以确定参数对归一化瞬态渗透曲线的影响，以及如果曲线对于参数的变化不变，那么相对于参数将所述曲线识别为主曲线。参数可包含设备设计的一般几何参数，例如金属结构厚度，并且在另外的实施方案中，参数可进一步包含充电表面的半径、氧化表面的宽度和充电电池的壁厚度。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种测量金属结构的氢扩散率的设备。所述设备包括：第一腔室，其定位在金属结构的外表面上，所述第一腔室包含氢通量传感器；和第二腔室，其通过壁与所述第一腔室分离并邻近于所述第一腔室，并且定位在金属结构的外表面上，所述第二腔室包含用于产生氢并将氢通量引入金属结构的外表面中的氢充电电池。氢通量的一部分从金属表面中朝向内腔室转移，其中氢通量可由氢通量传感器测量。在一些实施例中，所述第一腔室包含与金属结构的外表面接触的电解质溶液、对电极和任选的参比电极。所述设备的实施方案包含联接到金属结构的外表面、对电极和参比电极的电源，所述电源用以在对电极与金属结构的外表面之间提供恒定电流。在一些实施例中，第一腔室是由内壳体包围的内腔室，并且第二腔室是内壳体与外壳体之间的外腔室位置，所述外壳体围绕内壳体。内壳体和外壳体都可以是圆柱形的并且相对于彼此同心。为了确保同心度，设备的一些实施方案包含定位在内壳体与外壳体之间以确保内腔室在外腔室内同心的对准元件。所述设备的另外的实施方案包含用于将外壳体的底部固定到金属结构的外表面以防止电解质溶液泄漏的密封元件。可以使用磁体来实施密封元件。在所述设备的一些实施例中，氢通量传感器是氢压力传感器。在一些实施方案中，氢通量传感器包含离子泵。这些和其它方面、特征和优点可从本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量金属结构的氢扩散率的方法，其包括：/n将氢充电表面设置在所述结构的外表面上的第一位置处；/n将氢氧化表面设置在邻近于所述结构的所述外表面上的所述第一位置的第二位置处；/n产生氢通量，所述氢通量被引导到所述充电表面处的金属表面中；/n检测由所述充电表面产生的所述氢通量的至少一部分，所述氢通量的所述至少一部分转回到所述表面；/n测量转移的氢通量的瞬态；和/n基于测量到的瞬态确定所述金属结构的所述氢扩散率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170428 US 15/530,6831.一种测量金属结构的氢扩散率的方法，其包括：
将氢充电表面设置在所述结构的外表面上的第一位置处；
将氢氧化表面设置在邻近于所述结构的所述外表面上的所述第一位置的第二位置处；
产生氢通量，所述氢通量被引导到所述充电表面处的金属表面中；
检测由所述充电表面产生的所述氢通量的至少一部分，所述氢通量的所述至少一部分转回到所述表面；
测量转移的氢通量的瞬态；和
基于测量到的瞬态确定所述金属结构的所述氢扩散率。


2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将氢通量传感器定位在所述充电表面与所述氧化表面之间以便接收所述转移的氢通量。


3.根据权利要求2所述的方法，其中所述氢通量传感器测量接收到的氢通量的压力。


4.根据权利要求2所述的方法，其中所述氢通量传感器包含离子泵。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢扩散率是使用基于菲克扩散模型的直接模拟技术根据所述测量到的瞬态来确定，所述菲克扩散模型使用基于实验设备的初始条件。


6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：
设定所述氢扩散率的值；
使用氢扩散率的设定值来执行所述扩散模型；
将所述菲克扩散模型的结果与使用所述实验设备的结果进行比较；和
利用不同的氢扩散率值重复先前步骤，直到所述扩散模型的所述结果与使用所述实验设备的所述结果之间达到最接近的匹配。


7.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢扩散率是使用特定实验设备设计的模拟主图根据所述测量到的瞬态来确定，所述模拟主图与几何尺寸和实验参数无关。


8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：
对每个参数执行灵敏度分析以确定所述参数对归一化瞬态渗透曲线的影响；和
如果所述曲线对于参数的变化不变，那么相对于所述参数将所述曲线识别为主曲线。


9.根据权利要求8所述的方法，其中所述参数包含氢充电浓度、所述金...

【专利技术属性】
技术研发人员：KUR穆罕默德希布利，A特拉迪亚，A埃纳齐，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA