碳鋼氫擴散測量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)部積累導致鋼制設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技術來檢測或監(jiān)測鋼鐵結構中氫腐蝕的速率，鋼鐵中原子氫的含量，并顯示設備內(nèi)部由于氫的積集將要發(fā)生腐蝕破壞的危險性。自從1962 年電化學科學家Devanathan 和Stachurski提出了一種電化學方法來研究氫在金屬中的滲透速率以后，人們不斷開發(fā)許多適合于工程應用的原子氫電化學傳感器，Yamakawa等設計的氫傳感器是采用1mol/L的NaOH溶液為電解液，氧化汞電極為參比電極，在被測的金屬構件表面鍍鎳用恒電位儀控制極化電位范圍為0.15V(vs Hg/HgO)來進行氫滲透監(jiān)測，在監(jiān)測氫之前先要進行表面鍍鎳處理。Hg/HgO 參比電極是有毒的物質，在工程上應用會對環(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，該裝置能夠測量金屬中氫含量以及氫的擴散速率等。2. 氫傳感器的測量原理Devanathan-Stachurski 發(fā)明測定金屬中原子氫的擴散速率的電化學方法見圖1所示，測量裝置是由兩個互不相通的電解池組成左端是充氫室（陰極室），電解充氫時試樣的C面是施加的是陰極電流ic，發(fā)生反應，產(chǎn)生原子氫一部分復合成分子氫放出，另一部分擴散進入試樣內(nèi)部；試樣A端是另一電解池的陽極，當加上陽極恒定電位后，從C面擴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（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的進行），則經(jīng)過一定的時間后從C面產(chǎn)生的原子氫在到達A面后將全部被氧化，即試樣A面上的原子氫的濃度cA=0，這時原子氫的氧化電流Ia達到最大值稱為穩(wěn)態(tài)電流密度用Imax表示，故達到穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)Fick第一定律得 (1)式中：F為法拉第常數(shù)；D為擴散系數(shù)；x=L為試樣的厚度，cA=c1=0，因為A端H原子已全部氧化成為H+；c0=cC是充氫端濃度，當充氫電流Ic恒定時，它也是常數(shù)， 故式(1) 也可寫成：Imax= FDc0/L，或 c0= LImax/DF (2) 通過測量滲氫電流密度Imax，即可由式(2) 計算出鋼中的原子氫的濃度。圖1. 氫滲透速率測量裝置示意圖找到滲氫曲線中It/Imax=0.63 所對應的滯后時間tL，代入公式來計算不同溫度下的擴散系數(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量研究電極與輔助電極間的電流可得到氫滲電流與時間的關系曲線，分析該曲線可得到氫在金屬中的擴散系數(shù)、材料中的氫濃度、氫陷阱數(shù)以及氫致開裂的行為等；測量陰極超電位并繪制超電位與時間的關系曲線，結合氫滲電流與時間的關系曲線可分析材料出現(xiàn)異常氫致開裂時氫在材料內(nèi)部的行為機理。3. 測試步驟 在電化學氫滲透研究中，氫滲過程大致可分為四個階段：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。一般認為，在陽極電流密度小于0.5mA/cm2時，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，該段需要實時記錄陽極氫滲電流，并對所測數(shù)據(jù)進行濾波處理后保存與內(nèi)存中，采樣時間間隔可設定為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行比較，可研究材料中不可逆陷阱對氫的影響行為。3.1.直流充氫圖3. 充氫電解池以及電極連接方式圖4. 滲氫電流測試參數(shù)設置圖方波電流充氫滲氫測試采用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，設置極化電位為0.15V(vs Hg/HgO) 即0.007V(vs SCE)，然后測量其氧化電流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)場工礦介質），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為10mA，實驗溫度為20，同時測量陽極室內(nèi)的氧化電流Ia以及達到最大電流Imax的時間，本根據(jù)公式(2)和公式(1)計算金屬中的氫擴散系數(shù)。3.2.交流方波充氫本測試中電極的連接以及大部分參數(shù)的設定均與圖4中相同，但由