CN104297317B - 一种现场原位测氢的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种现场原位测氢的装置及其测量方法，该装置由电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计组成。使用时先将电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计组按装置示意图装好，安装在待测管道上。开启电源后，待电流计读数稳定记下读数即可。将电流计的读数代入测量方法中所提供的公式即可得到管道壁中氢的浓度，从而判断其发生氢致断裂的可能。本装置可移动方便携带的，这样就使现场原位测氢变成可能；采用的是直接用于完整的油气管道，不需要破坏管道，故对于生产实践具有极大的意义；装置简单、易于制造、操作简便，适合在石油天然气工业中运用；对油气工业发展生产设施氢脆开裂危险性监测技术和管道寿命预测有启发意义。

Description

一种现场原位测氢的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种可以在现场原位测量石油天然气管道壁中氢含量的装置装置及其测量方法。

背景技术

在我国石油工业中，许多重大的失效事故都是由于氢损伤和氢致滞后断裂引起的。例如，1965年，四川第一条输气管线连续发生爆破事故，经失效分析及再现试验，确认是由于在湿S条件下的焊缝应力腐蚀（氢脆机理）失效。1979年，某油田连续发生多起高强度钻杆脆性断裂事故，曾使钻井作业陷于困境。后经失效分析确认，是由于钻杆遇卡后注入强酸（HCl）解卡造成的氢致应力腐蚀失效。在四川油田，从1965年至1990年，共发生因S腐蚀引起的重大管道失效事故108起。更严重的，我国大多数油、气田面临着含水量提高和腐蚀性气体含量上升的情况，西部的油田也不例外，这样在油气采输过程中所使用的设备以及管道等将面临着严重腐蚀问题。而为了减轻这些设施的腐蚀，大多都采用阴极保护，在阴极保护的电位作用下，管道等设备则处于稳定的充氢状态，这样使得氢更容易进入油气采输设施中，使得这些设施更容易发生氢损伤和氢滞后断裂事故

氢损伤和氢致滞后断裂事故往往突然发生，往往会造成严重的经济损失和人员伤亡，造成的社会影响巨大。因此，经常性的检测油气采输设施中氢的含量，分析其发生氢脆的程度，这对在实践中采取相应措施减少或避免灾害性事故的发生着有着巨大工程意义，而且还可以借此发展石油生产设施氢脆开裂危险性监测和寿命预测技术。

目前，在实验室条件下材料中氢含量可用多种方法测得，在实验室中较多的采用Devnathan-Stachurski（人名） 双电解池技术来测量腐蚀过程中氢的渗透量。它是由两个电解槽、参比电极、铂电极以及电化学工作站组成，但是它需要将样品制成薄片，而且双电解池法只能测定金属材料在特定的充氢条件下材料中氢的浓度。这在现场不可能实现，而且在特定充氢条件下的氢浓度对实践也没有太大价值，因此在现场不可能用此种方法检测油气管壁中的氢含量。而目前可以在现场原位测量浓度的装置以及方法还没有报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的提供一种现场原位测量石油天然气管道壁中氢含量的装置，可以方便快捷的在现场测量管道材料中氢的含量，从而分析管道发生氢致开裂的危险性进而预测管道的剩余寿命的现场原位测氢的装置及其测量方法。

本发明的技术方案是：一种现场原位测氢的装置，该装置包括电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计；

其中，所述固体电解质中添加有用于氢的氧化过程中加速氢氧化的催化剂，催化剂的添加量一般为固体电解质量1-5wt%。

其中，所述电源的正极通过导线与所述参比电极连接，所述电流计的一端通过导线与所述辅助电极连接，所述参比电极与辅助电极设置所述固体电解质上，所述固体电解质设置在待测管道的外壁上，所述电源的负极通过导线与所待测管道连接，所述电流计的另一端与所述待测管道连接。

进一步，所述电源的电压为量级。

本发明的另一目的是提供上述装置的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤1. 先将电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计组装好，安装在待测管道上，备用；

步骤2.开启电源，从管道外壁扩散出的氢，进入固体电解质后在电源的作用下被电离： ，产生阳极电流，产生阳极电流由油气管道、固体电解质、电流计和辅助电极组成的回路流通，电流计得到电流值，根据以下公式（1），即可得到氢浓度：

（1）

式中，为充氢端（油气管内壁）固溶在晶格中的氢浓度；检测所在部位的油气管的面积，单位； 为电流检测到的电流值，单位为，D为油气管氢的扩散系数，单位。

本发明对于目前实验室测氢方法的优点在于：

（1）本发明是利用双电解池的原理，在实验室中多次实现，而且本装置可移动方便携带的，这样就使现场原位测氢变成可能；

（2）本发明采用的是直接用于完整的油气管道，不需要在实验室中专门制作试样而破坏管道，故对于生产实践具有极大的意义；

（3）本发明装置简单、易于制造、操作简便，适合在石油天然气工业中运用；

（4）本发明可以方便的分析油气管道壁发生氢脆的程度，对油气工业发展生产设施氢脆开裂危险性监测技术和管道寿命预测有启发意义。

附图说明

图1是本发明一种现场原位测氢的装置的结构示意图。

图 2是现有的双电解池的示意图。

图中：

1.油气管道、2.固体电解质、3.电源、4.电流计、5.参比电极、6.辅助电极、7.参比电极、8.试样、9.铂电极、10. 铂电极。

如图1所示，本发明一种现场原位测氢的装置，该装置包括电源3、参比电极5、辅助电极6、固体电解质2和电流计4；

其中，电源的正极通过导线与参比电极连接，电流计的一端通过导线与所述辅助电极连接，参比电极与辅助电极设置在添加有氢氧化的催化剂固体电解质上，固体电解质设置在待测管道的外壁上，所述电源的负极通过导线与所待测管道连接，所述电流计的另一端与所述待测管道连接, 油气管道壁与管道内的油气组成阴极，由于油气的腐蚀性以及阴极保护等原因会发生析氢反应，部分氢原子进入管道壁并且由内壁向外壁扩散。阳极也就是本装置，从管道外壁扩散出的氢通过硅油再经过固体电解质在外加电压的作用下被氧化，氧化电流由电流计读出，通过换算即可得到氢浓度。此电路中油气管道1、固体电解质2、电源3和参比电极5组成的回路中氢被外加电压电离产生电流，由于参比电极5的阻抗极大一般能达到10的12次方欧姆，故电流会从油气管道1、固体电解质2、电流计4和辅助电极6组成的回路流通，因此电流计4检测到的电流即为氢被电离的电流。

上述装置的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤1. 先将电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计组装好，安装在待测管道上，备用；

步骤2.电源提供电压为0.3V，油气管壁厚度L为0.6cm，检测部位油气管的面积A为10，电流计检测到的电流值 为32，管道为X70钢其扩散系数为D =3.34×10^-9 cm²／s，则充氢端（油气管内壁）固溶在晶格中的氢浓度：

即：1 cm³的油气管中含有7.53×10^-4 mol的H。

图2为现有的双电解池的示意图，将试样8加在两电解槽A和B中间，用螺钉固定。试样8两边是两个互不相通的电解槽，电解槽A为充氢槽，和它相接触的样品表面叫充氢面。电解槽B为逸氢槽，和它相接触的样品表面叫逸氢面。试样A面是阴极，通电流后发生反应：O+ , 。在试样表面产生原子氢，由于充氢面氢原子浓度很高，它们部分复合成分子氢放出，另一部分扩散进入试样内部。试样B面是另一电解池的阳极，利用恒电位仪在氢逸出面给定一个恒电位。加上阳极恒电位后，从A面扩散来的氢原子能被电离，即发生：从而产生阳极电流，通过电化学工作站记录电流变化，通过电流曲线的变化特征即可计算出试样的氢扩散系数和可扩散氢浓度。

Claims (3)

1.一种现场原位测氢的装置，其特征在于，该装置包括电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计；

所述固体电解质中添加有用于氢氧化的过程中加速氢氧化的催化剂，所述加速氢氧化的催化剂的添加量为固体电解质量1-5wt%；

其中，所述电源的正极通过导线与所述参比电极连接，所述电流计的一端通过导线与所述辅助电极连接，所述参比电极与辅助电极设置在所述固体电解质上，所述固体电解质设置在待测管道的外壁上，所述电源的负极通过导线与所述待测管道连接，所述电流计的另一端与所述待测管道连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源的电压为量级。

3.一种如权利要求1所述的装置的测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1. 先将电源、参比电极、辅助电极、固体电解质和电流计组装好，安装在待测管道上，备用；

步骤2.开启电源，从管道外壁扩散出的氢，进入固体电解质后在电源的作用下被电离： ，产生阳极电流，产生阳极电流由油气管道、固体电解质、电流计和辅助电极组成的回路流通，电流计得到电流值，根据以下公式（1），即可得到氢浓度：

（1）

式中，为充氢端即油气管内壁固溶在晶格中的氢浓度；检测所在部位的油气管的面积，单位； 为电流检测到的电流值，单位为，D为油气管氢的扩散系数，单位。