CN104568727A - 高温高压腐蚀氢渗透测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压腐蚀氢渗透测试装置及测试方法，本发明进行疲劳极限测定时，在给定的腐蚀条件下，待渗氢电流稳定后，对试样材料施加从小到大的阶跃式疲劳载荷，当氢渗透电流随着载荷的提升开始增大时则表明该载荷造成了试样材料内部的位错运动，则认为该载荷为试样材料在该环境下的疲劳极限。本发明具有可以在线原位测量高压二氧化碳腐蚀环境下，疲劳载荷状态与氢渗透量之间的定量关系，可以直观地表现出应力与氢的偏聚扩散之间的内在联系，建立多种数据的相互关系的特点。

Description

高温高压腐蚀氢渗透测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及高温高压腐蚀氢渗透测试技术领域，尤其是涉及一种可以测量腐蚀氢渗透和疲劳载荷耦合作用下材料的断裂形式，并可以在短时间内测试材料的临界疲劳载荷的高温高压腐蚀氢渗透测试装置及测试方法。

背景技术

随着经济的发展，人类对石油、天然气等资源的需求逐渐增大，近年来油价逐年上涨，巨大的需求，带动了石油产业的蓬勃发展，酸性油气田的开发数量逐年增加，在酸性油气田中含有硫化氢、二氧化碳气体，酸性物质会腐蚀开采集输设备，对油气田的安全开发产生巨大威胁。设备一旦被破坏，后果不堪设想。2003年12月23日，四川开县罗家寨16号井曾发生过特大高含硫化氢气田井喷事故，由于硫化氢本身具有毒性，事故造成200多人死亡，2.7w多人受伤，直接经济损失8200万元，间接经济损失无法估量。由此可见，硫化氢腐蚀对油气田的威胁巨大，而酸性油气田中除了含有硫化氢，还有二氧化碳，目前对硫化氢的腐蚀与防护已经有大量的研究，而二氧化碳的腐蚀与防护相对较少，这也将成为酸性油气田开发的重中之重。

二氧化碳对设备的腐蚀主要分为两种形式，一种是宏观腐蚀，指二氧化碳作为酸性介质会对设备造成宏观腐蚀和局部腐蚀，造成设备的减薄、穿孔；另一种形式是氢致材料损伤，二氧化碳是氢的毒化剂，其可以让腐蚀过程中产生的氢不结合成分子而以原子的形式存在，氢原子吸附在金属表面会渗透到金属内部，从而诱发多种形式的氢损伤，例如：氢原子在金属的缺陷处聚集，重新结合成为氢气，巨大的内压(有时超过1GPa)会使金属沿着夹杂物方向开裂；并且氢可以 降低金属键的结合力，从而降低材料的强度，诱发金属发生低应力脆断。

关于二氧化碳腐蚀方面，国内外已经进行了部分研究，技术成果也在酸性油气田开发中得到了应用；但是，我们仍然需要立足现在放眼未来做更深入的研究，近年来各类管道爆裂事故时有发生，主要是由于管道多年服役后发生的减薄和金属疲劳问题。而关于二氧化碳环境中的腐蚀疲劳问题，由于涉及到宏观腐蚀，局部腐蚀，氢脆和疲劳裂纹几方面的耦合作用，则异常复杂。利用现有的设备很难原位分析研究这一复杂的破坏形式。

中国发明授权公开号：CN202693457U，授权公开日2013年1月23日，公开了一种高温高压硫化氢环境氢渗透检测装置，所述高温高压硫化氢环境氢渗透检测装置包含有：一高温高压阴极反应釜，其一侧的侧壁上沿径向设置有一密封套，所述密封套的一端位于所述高温高压阴极反应釜的反应腔处，而其另一端则凸伸出所述高温高压阴极反应釜的外侧壁，并与所述高温高压阴极反应釜的外侧壁之间形成密封连接；该发明的不足之处是，不能在给试样施加载荷的同时检测氢渗透量。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的氢渗透检测装置不能在给试样施加载荷的同时检测氢渗透量的不足，提供了一种可以测量腐蚀氢渗透和疲劳载荷耦合作用下材料的断裂形式，并可以在短时间内测试材料的临界疲劳载荷的高温高压腐蚀氢渗透测试装置及测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高温高压腐蚀氢渗透测试装置，所述测试装置分别与电化学工作站、油浴控制器和疲劳试验机相连接，疲劳试验机上设有用于连接试样两端的上夹具和下夹具；包括控制器、二氧化碳气罐、氮气罐、盛有碱性导电溶液的缓冲釜和设于疲劳试验机上的反应釜；所述反应釜包括上端开口的第一釜体和与第一釜体密封连接的第一釜盖，第一釜体内设有用于溶解二氧化碳气体的溶解液；所述缓冲釜上包括上端开口的第二釜体和与第二釜体密封连接的第二釜盖；

第一釜体外周面上设有环绕第一釜体的加热腔，加热腔通过进油管和出油管与油浴控制器相连接；所述第一釜盖和第一釜体底部分别设有用于对竖向贯穿反应釜的中空棒状试样进行密封限位的上密封结构和下密封结构；

二氧化碳气罐通过第一进气管与第一釜体连通，氮气罐通过第二进气管与第一釜体连通，第一釜体上还设有排气管；反应釜上设有用于检测第一釜体内气体压力的第一压力表；试样的空腔通过连通管与缓冲釜相连通，试样上端内设有伸入试样的空腔中的辅助阳极，试样下端内设有伸入试样的空腔中的参比电极，电化学工作站分别与浸入碱性导电溶液中的辅助阳极、参比电极和试样电连接；所述缓冲釜通过导通管与氮气罐相连通，缓冲釜上设有用于检测缓冲釜内的氮气压力的第二压力表；

第一进气管上设有第一电磁阀，第二进气管上设有第二电磁阀，排气管上设有第三电磁阀，所述连通管上设有第四电磁阀，所述导通 管上设有第五电磁阀，控制器分别与电化学工作站、油浴控制器、疲劳试验机、各个电磁阀、第一电压表和第二电压表电连接。

传统的二氧化碳腐蚀环境力学系统中，只能表征外部环境二氧化碳量与材料力学性能退化的间接关系，不能更深层次地表征氢的侵入量、腐蚀产物的保护性与载荷的交互作用与材料力学性能之间的内在联系，制约了高压二氧化碳腐蚀环境中的材料力学性能退化的定量化研究。

而关于氢的侵入量的测量方法，现在被广泛应用的方法是D-S氢氧化法，该方法测量氢的原理是在金属表面镀一层镍或者钯，并给金属表面施加一个氧化电位，该电位刚好是镀层的钝化电位并且是氢的氧化电位，当没有氢从金属表面冒出时，金属表面处于钝化态，无电荷转移，当氢原子从金属的另一端扩散到这一端的表面时，氢原子重新氧化成为氢离子，并发生电荷转移，利用电化学测试设备采集产生的电流，一个电子的转移就代表了一个氢原子的扩散，所形成的电流表示氢的扩散量，目前只能在无载荷的高压二氧化碳环境下测量，或在无高压环境的载荷下测量，缺少一种能够在高压二氧化碳环境中既能进行力学加载又能原位测量氢的渗透量的设备。

常规实验方法认为基体材料在1×10⁶个循环后仍然未发生断裂，则认为该载荷低于材料的疲劳极限，而对于焊缝金属则需要2×10⁶个循环，测定疲劳极限需要进行大量的实验，每个实验经常持续数天的时间，需要10几个试样，实验费时，费工，费力。众所周知，材料发生疲劳断裂的实质是疲劳载荷引起位错的定向运动，从而造成材料的最终断裂；

本发明可以在线原位测量不同环境下，疲劳载荷状态与氢渗透量之间的定量关系，建立多种数据的相互关系，而且本发明可以缩短疲 劳极限载荷(材料在受到随时间而交替变化的荷载作用时，所产生的应力也会随时间作用交替变化，这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用即会导致材料的破坏，这个极限称为材料的疲劳极限)的测定工作量。另外在腐蚀环境下的疲劳破坏与非腐蚀介质中的破坏方式不同，疲劳断裂都是从疲劳裂纹萌生开始的，而疲劳裂纹经常萌生于金属表面，在腐蚀环境中刚刚萌生的疲劳裂纹可能会被金属表面的宏观腐蚀去除，另外腐蚀产物的形成与破裂也会对疲劳裂纹的形成造成影响，再耦合氢对位错的作用，整个过程将非常复杂，现有的设备难以对这一复杂过程进行原位的分析研究。

本发明进行疲劳极限测定时，在给定的腐蚀条件下，待渗氢电流稳定后，对试样材料施加从小到大的阶跃式疲劳载荷，当氢渗透电流随着载荷的提升开始增大时则表明该载荷造成了试样材料内部的位错运动，则认为该载荷为试样材料在该环境下的疲劳极限。

因此，本发明具有如下优点：

(1)传统测试方法需要10-12个试样，而本发明只需要一个试样，降低了实验量，并且克服了商业材料本身性能波动对实验的影响；

(2)传统实验方法测量疲劳极限需要对材料进行超过1x10⁶个循环，尤其是在低频循环时(频率＜1Hz)，一个试样(某一载荷下)就要进行超过270小时的实验，而利用本发明则仅仅需要两个小时就可以判断该载荷下的实验结果，缩短了测试时间。

(3)与传统的测试方法相比，本发明可以分析腐蚀过程、氢渗透过程和疲劳载荷在复杂耦合断裂过程中所起的作用。

作为优选，所述第一釜盖和第一釜体底部分别设有用于穿入试样的上通孔和下通孔，上密封结构位于上通孔和试样之间；下密封结构 位于下通孔和试样之间。

作为优选，上通孔呈上部横截面面积大的阶梯孔状，上密封结构包括设于上通孔上部内的两个O型密封圈和位于上通孔内并向下压紧两个O型密封圈的压紧螺母；

下通孔呈下部横截面面积大的阶梯孔状，下密封结构包括设于下通孔下部内的两个O型密封圈和位于下通孔内并向上压紧两个O型密封圈的压紧螺母。

作为优选，反应釜通过支撑结构与疲劳试验机相连接；支撑结构包括环绕加热腔的支撑环和设于支撑环两侧的两个水平支撑臂，两个水平支撑臂分别与设于疲劳试验机上的两个竖杆相连接。

两个竖杆面向支撑结构的内侧均设有水平延伸的半圆形管对，半圆形管对包括2个上下对应的半圆形管，两个水平支撑臂分别插入两个竖杆的半圆形管对中，根据两个水平支撑臂插入两个半圆形管中的深度，可以调节支撑环的左右位置，从而调节放置在支撑环上的反应釜的左右位置，使试样能够与上、下夹具定位连接。

作为优选，支撑环上设有若干个沿支撑环的圆周分布的竖向孔，每个竖向孔中均设有内螺纹；支撑环上还设有若干个沿支撑环的圆周分布的用于插入与反应釜连接的螺钉的连接孔。

各个竖向孔用于穿入水平调节螺钉，水平调节螺钉上端用于顶反应釜的下端面，从而使反应釜水平放置，并使试样与上下夹具的连线同线。

一种高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，包括如下步骤：

(6-1)利用电化学工作站在试样内表面镀上镍层；将试样插入第一釜体内并使试样下端穿出第一釜体底部，在试样下端与反应釜之间装入下密封结构；

(6-2)在第一釜体内倒入溶解液，将第一釜盖盖在第一釜体上，使试样上端从第一釜盖中穿出，在试样上端与第一釜盖之间安装上密封结构；将辅助阳极和参比电极分别安装在试样上、下端的空腔内；

(6-3)利用2条软不锈钢连通管将试样上端、下端分别与盛有碱性导电溶液的缓冲釜相连通；

(6-4)将反应釜安装到疲劳试验机上，并使试样上端与上夹具相连接，试样下端与下夹具相连接；

(6-5)控制器控制打开第二电磁阀、第三电磁阀，使氮气在氮气瓶和第一釜体间的压力差的作用下进入第一釜体内，氧气从排气管排出，使氮气为溶解液除氧10至20分钟；除氧后，控制器控制第二电磁阀、第三电磁阀关闭；

(6-6)在第二釜体内加入碱性导电溶液，控制器控制第四电磁阀打开，碱性导电溶液流入试样的空腔中，使辅助阳极下部、参比电极均浸入碱性导电溶液中；

(6-7)控制器控制油浴控制器对加热腔进行加热，使加热腔的温度稳定在室温～100℃内；

(6-8)控制器控制电化学工作站工作，将电化学工作站设置在恒电位模式，电位设定为相对饱和甘汞电极OV的电位上；当电化学工作站捕捉的电流密度小于5×10^-7A时，转入步骤(6-9)；

(6-9)控制器控制第一电磁阀打开，使二氧化碳进入第一釜体内部并部分溶于第一釜体内的溶解液中；在向第一釜体内通入二氧化碳的同时，控制器控制第五电磁阀打开，使氮气进入第二釜体及试样的空腔内，使第一压力表和第二压力表检测的二氧化碳压力和氮气压力位于预设的压力范围内；

(6-10)当电化学工作站检测的试样电流稳定在10^-5A的数量级时，疲劳试验机对试样施加从小到大的阶跃式疲劳载荷，每种载荷施加的时间为M小时，直至试样断裂为止；电化学工作站得到随着时间变化的氢渗透电流曲线。

本发明是在拉伸试样的过程中测量氢渗透量，对在高压二氧化碳环境下的线原位试样，测量疲劳载荷状态、腐蚀产物以及氢渗透量之间的定量关系，可直观地表现出应力与氢的偏聚扩散，裂纹萌生与腐蚀产物保护之间的内在联系，建立多种数据的相互关系。

作为优选，所述疲劳试验机的上夹具可上下移动，靠近第一釜盖下表面的所述试样上设有限位环。

限位环的设置，使试样被拉断时，试样上部在限位环的限位作用下不会飞出反应釜。

作为优选，所述碱性导电溶液为0.14mol/L至0.22mol/L的KOH溶液。

作为优选，预设的压力范围为0.9MPa至2.1MPa。。

作为优选，试样由两端至中部横截面面积逐渐减小；镍层的厚度为1μm至3μm。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)可以在线原位测量高压二氧化碳腐蚀环境下，疲劳载荷状态与氢渗透量之间的定量关系，可以直观地表现出应力与氢的偏聚扩散之间的内在联系，建立多种数据的相互关系；

(2)可以测量高压二氧化碳环境下，温度与氢渗透量之间的定量关系，以及高压二氧化碳、温度因素对材料疲劳性能的影响；

(3)可以清晰的表现出环境介质改变对材料使用寿命的影响，除了分析单纯二氧化碳环境对材料疲劳性能的影响之外，也可以通过在反应釜内加入其他气体，分析气体的争夺吸附过程对氢损伤的促进或抑制作用的影响；

(4)传统测试方法需要10-12个试样，而本发明只需要一个试样，降低了实验量，并且克服了商业材料本身性能波动对实验的影响；

(5)传统实验方法测量疲劳极限需要对材料进行超过1x10⁶个循环，尤其是在低频循环时(频率＜1Hz)，一个试样(某一载荷下)就要进行超过270小时的实验，而利用本发明则仅仅需要两个小时就可以判断该载荷下的实验结果，这缩短了测试时间。

(6)与传统的测试方法相比，本发明可以分析腐蚀过程、氢渗透过程和疲劳载荷在复杂耦合断裂过程中所起的作用。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的缓冲釜的一种结构示意图；

图3是本发明的支撑结构的一种结构示意图；

图4是本发明的反应釜的一种结构示意图；

图5是本发明的反应釜的另一种结构示意图；

图6是本发明的实施例的一种流程图；

图7是本发明的一种氢渗透曲线图；

图8是现有技术中的一种试样疲劳次数曲线图；

图9是本发明的一种原理框图。

图中：电化学工作站1、油浴控制器2、疲劳试验机3、上夹具4、下夹具5、缓冲釜6、反应釜7、第一釜体8、第一釜盖9、第二釜体10、第二釜盖11、加热腔12、进油管13、出油管14、试样15、上密封结构16、下密封结构17、进气口18、出气口19、第一压力表20、辅助阳极21、参比电极22、第二压力表23、上通孔24、O型密封圈25、压紧螺母26、支撑结构27、支撑环28、水平支撑臂29、竖杆30、竖向孔31、连接孔32、限位环33、氮气进口34、氮气出口35、下通液口36、上通液口37、控制器38、第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀41、排气管42、第四电磁阀43、第五电磁阀44、漏液孔45、密封塞46。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图4、图5所示的实施例是一种高温高压腐蚀氢渗透测试装置，测试装置分别与电化学工作站1、油浴控制器2和疲劳试验机3相连接，疲劳试验机上设有用于连接试样两端的上夹具4和下夹具5；包括控制器38、二氧化碳气罐、氮气罐、盛有0.2mol/L的KOH 溶液的缓冲釜6和设于疲劳试验机上的反应釜7；反应釜包括上端开口的第一釜体8和与第一釜体密封连接的第一釜盖9，第一釜体内设有用于溶解二氧化碳气体的溶解液；如图2所示，缓冲釜上包括上端开口的第二釜体10和与第二釜体密封连接的第二釜盖11；还包括氮气进口34、氮气出口35、下通液口36、上通液口37。

第一釜体外周面上设有环绕第一釜体的加热腔12，加热腔通过进油管13和出油管14与油浴控制器相连接；第一釜盖和第一釜体底部分别设有用于对竖向贯穿反应釜的中空棒状试样15进行密封限位的上密封结构16和下密封结构17；第一釜体底部设有漏液孔45，漏液孔上设有密封塞46。

二氧化碳气罐通过第一进气管18与第一釜体连通，氮气罐通过第二进气管19与第一釜体连通，第一釜体上还设有排气管42；反应釜上设有用于检测第一釜体内气体压力的第一压力表20；试样的空腔通过连通管与缓冲釜相连通，试样上端内设有伸入试样的空腔中的辅助阳极21，试样下端内设有伸入试样的空腔中的参比电极22，电化学工作站分别与浸入碱性导电溶液中的辅助阳极、参比电极和试样电连接；缓冲釜通过导通管与氮气罐相连通，缓冲釜上设有用于检测缓冲釜内的氮气压力的第二压力表23；

排气管与装有过饱和NaOH溶液的尾气处理装置连通。第一釜盖和第一釜体使用哈氏合金C276材料制成。

如图9所示，第一进气管上设有第一电磁阀39，第二进气管上设有第二电磁阀40，排气管上设有第三电磁阀41，连通管上设有第 四电磁阀43，导通管上设有第五电磁阀44，控制器分别与电化学工作站、油浴控制器、疲劳试验机、各个电磁阀、第一电压表和第二电压表电连接。控制器为PLC控制器。

用于溶解通H₂S的溶解液可以采用水(H₂O)，酸(例如，HCl和H2SO₄)，碱(例如，KOH)，盐(例如，NaCl)等。本实施例中的溶解液采用5％的NaCl溶液。

如图1、图5所示，第一釜盖和第一釜体底部分别设有用于穿入试样的上通孔24和下通孔，上密封结构位于上通孔和试样之间；下密封结构位于下通孔和试样之间。

上通孔呈上部横截面面积大的阶梯孔状，上密封结构包括设于上通孔上部内的两个O型密封圈25和位于上通孔内并向下压紧两个O型密封圈的压紧螺母26；

下通孔呈下部横截面面积大的阶梯孔状，下密封结构包括设于下通孔下部内的两个O型密封圈25和位于下通孔内并向上压紧两个O型密封圈的压紧螺母26。

如图1、图3所示，反应釜通过支撑结构27与疲劳试验机相连接；支撑结构包括环绕加热腔的支撑环28和设于支撑环两侧的两个水平支撑臂29，两个水平支撑臂分别与设于疲劳试验机上的两个竖杆30相连接。

支撑环上设有3个沿支撑环的圆周分布的竖向孔31，每个竖向孔中均设有内螺纹；支撑环上还设有3个沿支撑环的圆周分布的用于插入与反应釜连接的螺钉的连接孔32。

本发明利用CO₂溶于水后形成H₂CO₃，H₂CO₃在水中发生离解反应原理检测氢渗透电流：

釜内溶液是需要研究的溶液，通入稳定压力的待研究CO₂，CO₂溶于水便立即形成H₂CO₃，H₂CO₃立即电离，离解反应如下：

(1)CO₂+H₂O→H₂CO₃

(2)

(3)

CO₂可以让Fe与H⁺反应产生的H更多的以原子形式存在而不结合成H₂分子。试样中空相当于一个氢扩散室，通过连接电化学工作站，施加了一个阳极的电位，保证H一旦从试样外表面扩散至内表面后立即被全部电离成H⁺，即

H→H⁺+e

从而形成电流I；经过一段时间后，电流I达到最大值，称为稳态电流I_∞；试样的内表面必须镀镍或者钯，使施加的电位刚好处于镀层的钝化电位并同时是氢的氧化电位，镀层可以让氢原子不容易结合成为分子，以保证绝大多数的氢原子被氧化为氢离子，这样可以保证氢氧化电流的可靠性。试样可以使用任何金属材料制成。

如图6所示，一种高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤100，对碳钢材料制成的试样预处理，并安装试样：

利用电化学工作站在试样内表面镀上镍层；将中空的棒状试样插入第一釜体内并使试样下端穿出第一釜体底部，在试样下端与反应釜 之间装入下密封结构；

步骤200，在第一釜体内倒入5％的NaCl溶液，将第一釜盖盖在第一釜体上，使试样上端从第一釜盖中穿出，在试样上端与第一釜盖之间安装上密封结构；将辅助阳极和参比电极分别安装在试样上、下端的空腔内；使辅助阳极、参比电极和试样互不接触；

步骤300，连通试样和缓冲釜：

利用2条软不锈钢连通管将试样上端、下端分别与盛有碱性导电溶液的缓冲釜相连通，第五电磁阀位于其中一个连通管上；

步骤400，将反应釜安装到疲劳试验机上，并使试样上端与上夹具相连接，试样下端与下夹具相连接；

步骤500，为第一反应釜的溶解液除氧：

控制器控制打开第二电磁阀、第三电磁阀，使氮气在氮气瓶和第一釜体间的压力差的作用下进入第一釜体内，氧气从排气管排出至装有过饱和NaOH溶液的尾气处理装置，使氮气为5％的NaCl溶液除氧20分钟；除氧后，控制器控制第二电磁阀、第三电磁阀关闭；

步骤600，在第二釜体和试样的空腔中加入碱性导电溶液

在第二釜体内加入0.20mol/L的KOH溶液，控制器控制第四电磁阀打开，KOH溶液流入试样的空腔中，使辅助阳极下部、参比电极均浸入KOH溶液中；

步骤700，利用油浴控制器对加热腔进行加热，使加热腔的温度稳定在50℃；

步骤800，控制器控制电化学工作站工作，将电化学工作站设置 在恒电位模式，电位设定为相对饱和甘汞电极OV的电位上；当电化学工作站捕捉的电流密度小于5×10^-7A时，转入步骤900；

步骤900，控制器控制第一电磁阀打开，使二氧化碳进入第一釜体内部并部分溶于NaCl溶液中；在向第一釜体内通入二氧化碳的同时，控制器控制第五电磁阀打开，使氮气进入第二釜体及试样的空腔内，使第一压力表和第二压力表检测的二氧化碳压力和氮气压力位于预设的压力范围内；

步骤1000，拉伸试样并得到随着时间变化的氢渗透电流曲线：

保持第一釜体中的二氧化碳和第二釜体中的氮气的气压始终位于预设的压力范围内，当电化学工作站检测的试样电流稳定在10^-5A的数量级时，疲劳试验机对试样施加从小到大的阶跃式疲劳载荷，每种载荷施加的时间为2小时，直至试样断裂为止；电化学工作站得到随着时间变化的氢渗透电流曲线。

本实施例中，疲劳试验机的上夹具可上下移动，靠近第一釜盖下表面的试样上设有限位环33；预设的压力范围为1±0.1MPa；试样由两端至中部横截面面积逐渐减小；镍层的厚度为2μm。

如图7所示，当二氧化碳压力和氮气压力位于1±0.1MPa范围内3小时后，电化学工作站检测的流过试样的氢渗透电流稳定后，此时，疲劳试验机对试样施加从小到大的阶跃式疲劳载荷，每种载荷施加的时间为2小时，直至试样断裂为止；电化学工作站得到图7的氢渗透电流曲线。氢渗透电流与氢渗透量成正比，因此本发明通过测量氢渗透电流获得了氢渗透量的变化曲线。图7的横坐标为时间，单位为小 时；纵坐标为检测的氢渗透电流，单位为μA/cm²。

由图7可以看出，在疲劳载荷为10kN和12kN时，材料的氢渗透行为未发生改变，表明在该载荷下，材料内部没有发生位错的定向运动；而当载荷达到14kN时，氢渗透电流有明显升高，表明在该载荷下，材料内部发生了位错的定向运动，氢在位错中聚集，并随着位错发生定向运动，从而造成氢的扩散通量增加，因此，氢渗透电流也随之增大。并且随着载荷的增加，氢渗透电流逐渐增加，表明载荷的增加，加快了位错的定向运动，造成氢的传输量增加，位错运动并且相互缠绕可以造成微观孔洞的形成，并且进一步形成微裂纹。通有二氧化碳的溶液具有腐蚀性，会腐蚀试样表面，从而使表面凹凸不平，容易在表面产生应力集中，形成表面的微裂纹。试样内部微裂纹和表面微裂纹的形成，最终造成材料的断裂。

并且对试样的传统疲劳寿命实验表明，在载荷小于12kN时，材料不会发生疲劳断裂，而当载荷大于14kN时，材料发生疲劳断裂，并随着载荷的增加发生疲劳断裂的周期缩短，这与本发明得到的实验结果一致。

如图8所示，传统实验方法测量疲劳极限需要对试样材料进行超过1x10⁶个循环，一个试样(某一载荷下)就要进行超过270小时的实验，而利用本发明，仅仅需要两个小时就可以判断该载荷下的实验结果，这缩短了测试时间。而且本发明测量出的氢渗透电流，反映了穿过试样的氢总量，本发明通过对其变化过程进行分析，间接分析出材料在不同情况下的氢扩散系数、加速量、氢的加速量均与位错运动具 有直接关系，从而为位错密度的测定提高可靠数据依据。图8横坐标为最大载荷，单位为kN；纵坐标为疲劳次数，单位为次。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种高温高压腐蚀氢渗透测试装置，所述测试装置分别与电化学工作站(1)、油浴控制器(2)和疲劳试验机(3)相连接，疲劳试验机上设有用于连接试样两端的上夹具(4)和下夹具(5)；其特征是，包括控制器(38)、二氧化碳气罐、氮气罐、盛有碱性导电溶液的缓冲釜(6)和设于疲劳试验机上的反应釜(7)；所述反应釜包括上端开口的第一釜体(8)和与第一釜体密封连接的第一釜盖(9)，第一釜体内设有用于溶解二氧化碳气体的溶解液；所述缓冲釜上包括上端开口的第二釜体(10)和与第二釜体密封连接的第二釜盖(11)；

第一釜体外周面上设有环绕第一釜体的加热腔(12)，加热腔通过进油管(13)和出油管(14)与油浴控制器相连接；所述第一釜盖和第一釜体底部分别设有用于对竖向贯穿反应釜的中空棒状试样(15)进行密封限位的上密封结构(16)和下密封结构(17)；

二氧化碳气罐通过第一进气管(18)与第一釜体连通，氮气罐通过第二进气管(19)与第一釜体连通，第一釜体上还设有排气管(42)；反应釜上设有用于检测第一釜体内气体压力的第一压力表(20)；试样的空腔通过连通管与缓冲釜相连通，试样上端内设有伸入试样的空腔中的辅助阳极(21)，试样下端内设有伸入试样的空腔中的参比电极(22)，电化学工作站分别与浸入碱性导电溶液中的辅助阳极、参比电极和试样电连接；所述缓冲釜通过导通管与氮气罐相连通，缓冲釜上设有用于检测缓冲釜内的氮气压力的第二压力表(23)；

第一进气管上设有第一电磁阀(39)，第二进气管上设有第二电磁阀(40)，排气管上设有第三电磁阀(41)，所述连通管上设有第四电磁阀(43)，所述导通管上设有第五电磁阀(44)，控制器分别与电化学工作站、油浴控制器、疲劳试验机、各个电磁阀、第一电压表和第二电压表电连接。

2.根据权利要求1所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置，其特征是，所述第一釜盖和第一釜体底部分别设有用于穿入试样的上通孔(24)和下通孔，上密封结构位于上通孔和试样之间；下密封结构位于下通孔和试样之间。

3.根据权利要求2所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置，其特征是，上通孔呈上部横截面面积大的阶梯孔状，上密封结构包括设于上通孔上部内的两个O型密封圈(25)和位于上通孔内并向下压紧两个O型密封圈的压紧螺母(26)；

下通孔呈下部横截面面积大的阶梯孔状，下密封结构包括设于下通孔下部内的两个O型密封圈(25)和位于下通孔内并向上压紧两个O型密封圈的压紧螺母(26)。

4.根据权利要求1所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置，其特征是，反应釜通过支撑结构(27)与疲劳试验机相连接；支撑结构包括环绕加热腔的支撑环(28)和设于支撑环两侧的两个水平支撑臂(29)，两个水平支撑臂分别与设于疲劳试验机上的两个竖杆(30)相连接。

5.根据权利要求4所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置，其特征是，支撑环上设有若干个沿支撑环的圆周分布的竖向孔(31)，每个竖向孔中均设有内螺纹；支撑环上还设有若干个沿支撑环的圆周分布的用于插入与反应釜连接的螺钉的连接孔(32)。

6.一种适用于权利要求1所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，其特征是，包括如下步骤：

(6-1)利用电化学工作站在试样内表面镀上镍层；将试样插入第一釜体内并使试样下端穿出第一釜体底部，在试样下端与反应釜之间装入下密封结构；

(6-2)在第一釜体内倒入溶解液，将第一釜盖盖在第一釜体上，使试样上端从第一釜盖中穿出，在试样上端与第一釜盖之间安装上密封结构；将辅助阳极和参比电极分别安装在试样上、下端的空腔内；

(6-3)利用2条软不锈钢连通管将试样上端、下端分别与盛有碱性导电溶液的缓冲釜相连通；

(6-4)将反应釜安装到疲劳试验机上，并使试样上端与上夹具相连接，试样下端与下夹具相连接；

(6-5)控制器控制打开第二电磁阀、第三电磁阀，使氮气在氮气瓶和第一釜体间的压力差的作用下进入第一釜体内，氧气从排气管排出，使氮气为溶解液除氧10至20分钟；除氧后，控制器控制第二电磁阀、第三电磁阀关闭；

(6-6)在第二釜体内加入碱性导电溶液，控制器控制第四电磁阀打开，碱性导电溶液流入试样的空腔中，使辅助阳极下部、参比电极均浸入碱性导电溶液中；

(6-7)控制器控制油浴控制器对加热腔进行加热，使加热腔的温度稳定在室温～100℃内；

(6-8)控制器控制电化学工作站工作，将电化学工作站设置在恒电位模式，电位设定为相对饱和甘汞电极0V的电位上；当电化学工作站捕捉的电流密度小于5×10^-7A时，转入步骤(6-9)；

(6-9)控制器控制第一电磁阀打开，使二氧化碳进入第一釜体内部并部分溶于第一釜体内的溶解液中；在向第一釜体内通入二氧化碳的同时，控制器控制第五电磁阀打开，使氮气进入第二釜体及试样的空腔内，使第一压力表和第二压力表检测的二氧化碳压力和氮气压力位于预设的压力范围内；

(6-10)当电化学工作站检测的试样电流稳定在10^-5A的数量级时，疲劳试验机对试样施加从小到大的阶跃式疲劳载荷，每种载荷施加的时间为M小时，直至试样断裂为止；电化学工作站得到随着时间变化的氢渗透电流曲线。

7.根据权利要求6所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，其特征是，所述疲劳试验机的上夹具可上下移动，靠近第一釜盖下表面的所述试样上设有限位环(33)。

8.根据权利要求6所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，其特征是，所述碱性导电溶液为0.14mol/L至0.22mol/L的KOH溶液。

9.根据权利要求6所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，其特征是，预设的压力范围为0.9MPa至2.1MPa。

10.根据权利要求6或7或8或9所述的高温高压腐蚀氢渗透测试装置的测试方法，其特征是，试样由两端至中部横截面面积逐渐减小；镍层的厚度为1μm至3μm。