CN105143878A - 用于渗透氢测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于测量通过渗透以氢原子的形式被金属工件(86)吸收的氢的含量以特别是表征该工件与可弱化或导致该工件脆裂的该被吸收的氢之间的相互作用的方法和装置(30)，其中该装置包括：探头(38)，探头(38)具有混合腔(38′)，从工件散发出的一定量氢(13)可进入混合腔(38′)，且混合腔(38′)与测量气体(26)的入口孔(27)连通；与混合腔(38′)气连接的固态氢浓度传感器(15)；形成从入口孔(27)到传感器(15)的测量气体(26)的流(W)的气体传输装置(14)；处理器装置(16)，处理器装置(16)用于处理传感器的浓度信号(19)和产生与金属工件(86)和被吸收的氢之间的相互作用有关的参数(17)。在示例性实施例中，探头用于接受在浴中的处理，例如电沉积处理、酸洗处理等等，以测量氢吸收率和/或处理效率。在另一示例性实施例中，设有将探头(38)布置为使进入开口(27)面对金属工件(86)、特别是使进入开口(27)与金属工件(86)接触的装置，特别地，传感器(15)为布置在混合腔(38)中的内置传感器，用于直接渗透测量容器中的包括氢的气体或腐蚀性流体以监控氢脆裂和/或由于流体产生的腐蚀。在用于测量扩散性的设备中，装置(30)和布置在与暴露于探头(38)的面(88)相对的工作件(86)的面(89)上的氢(13)的产生池(31)相关联。在另一示例性实施例中，探头包括用于容纳金属工件的容器，以测量工件中吸收的氢。

Description

用于渗透氢测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测定具有另外气体的混合物中的氢浓度的装置。
该装置可用于在化学或电化学浴中的表面处理过程中测定或跟踪金属工件中吸收的氢产物。
该装置还可用于监控金属工件(例如腐蚀环境中使用的或与石油化学工业中的包括氢的气体接触的、供电设备中的或氢产生/分布设施中的、特别是高温下使用的部件中的管)中的腐蚀和氢渗透。
该装置还可进一步用于进行焊接接头的非破坏性试验。
该装置还可用于评估氢在固体材料、特别是金属中的扩散性。
背景技术
众所周知，与金属工件系统地接触的氢可降低金属工件的强度。这是真实的，特别是，在钢的情况下。实际上，如在一些工艺环境中的情况，与氢气的长期接触可导致氢被吸收进金属中。超过一定程度，这可使氢脆增加。例如，化学或电化学表面处理工艺(例如电流处理、酸洗、化学铣削或电抛光)已知用于处理金属工件。这些工艺通过在处理浴中以H+离子存在的氢的还原反应来发生。这样，产生可留在被处理的工件内且可导致脆裂的原子氢。
各种程序已知用于评估工业电处理工艺中氢脆的风险。例如，ASTMF519-10提供了对必须根据特定程序制备的大量样本的破坏性试验。ASTMF326-96提供了处理过程中氢吸收参数的测量、和随后的脱氢处理过程中其渗透性的测量。这些程序的缺点是太贵。此外，其不直接且不是及时的试验。换言之，使用与被实际处理的工件不同的样品，且为了得到试验结果必须等待一定时间。因此，如果结果不可接受，可能需要召回已派送或甚至已使用的工件，这导致了很大的钱财损失和其他缺点。此外，以上提到的程序不允许为了在处理过程中限制工件中的氢吸收而实时调整可变的工艺，且其没有提高工艺效率。
以上情况对其中使用酸溶液处理金属工件的表面以除去氧化表面层的处理也适用。例如，酸洗通常通过氢产生来发生，其可导致氢脆。此外，酸溶液可能侵蚀金属。
因此，需要一种装置，通过该装置可连续跟踪电流处理或如酸洗的处理中的氢吸收，以便可提供实时数据，且优选地，通过该装置可进行工艺控制以防止氢脆。
还已知的是，金属工件的漆包工艺可引起被处理工件的氢吸收和表面脆化。实际上，当准备漆包釉料时，温度通常达到800℃与850℃之间。这些情况下，漆包混合物中存在的一些水被金属工件的钢的离子催化地分离，因此形成被吸收进工件且然后在工件中扩散的氢。在随后的工件的冷却中，氢趋于移动回到工件表面，在工件表面氢遇到不可渗透的漆包层。氢的压力可使该层变质和弱化。这是所谓的“鱼鳞”缺陷。
因此，需要用于初步渗透试验的装置以评估金属工件是否可以在不导致该性能的情况下被漆包。
传统地用于初步渗透试验的装置为Devanathan-Stachurski电池，其包括氢产生半电池和测量半电池。该电池允许测量氢在金属中的扩散性。该装置是复杂的，因为存在必须安装在一起的两个半电池，因为必须保证紧密连接且为了其他次要的原因。此外，该试验具有很长周期。因此，需要一种用于进行氢渗透初步试验或用于测量氢在金属材料中的扩散性的装置，该装置比现有技术的装置更方便用户且更可靠。
为了测量金属工件中氢的含量，使用已知为解吸器的装置，解吸器包括炉，该炉中布置有随后被密封在石英管内的样品。然后将样品加热以导致被吸收的氢出来和随气流离开该炉。该流中的氢浓度被监控、求积分且与样品的重量比较，因此获得样品中包含的氢的定量测量。解析器相当麻烦且昂贵，且还涉及很大的操作和维护成本。此外，解析器仅允许破坏性试验。因此，需要比常规解析器更便宜的、涉及更低操作和维护成本、且更方便用户的用于测定金属工件中包括的氢的含量的装置。还需要该装置用于进行非破坏性试验。
还已知的是，金属材料的腐蚀过程中的至少一个步骤通过产生氢发生。氢产生取决于腐蚀强度。该装置还已知用于监控氢的流量，作为腐蚀事件的指示。这些装置包括电流型传感器，其也不提供满意的可靠度和强度。
众所周知，氢越来越多地用作能量媒介/燃料，例如，用于给机动车提供动力。特别地，氢气分布设施和网络被发展为包括自助泵。为了该设施的安全性，需要装置实时检查用于运送和储存氢气的导管和气瓶的金属中是否可能发生氢脆。现在，没有可以可靠地检测和通知该氢脆风险的装置。
US2009/0277249A1描述了通过使包含氢的混合物与密封元件接触且通过测量以分子氢的形式穿过该密封元件的氢的量来测定密封元件的质量的方法和装置。还提到了该相同技术的、用于进行部件中的渗透试验的用途，其中氢仍以分子形式穿过该部件。该技术不允许测定密封元件中存在的氢的含量，且不允许测定密封元件中的氢扩散性。因此，US2009/0277249A1不能评估密封元件的脆裂风险，而是评估密封元件的紧密度，即密封元件中损失了多少氢。
EP1114992A2中，使用了一种帽形收集元件，该帽形收集元件设有用于收集来自工件表面的氢的螺旋形肋，且还使用了电流型传感器。
WO2011/131897A1描述了一种用于监控运送腐蚀流体的金属导管中的腐蚀率的方法，其中设有布置为当装置安装在金属导管的壁上时形成腔的装置，该腔用于容纳透过导管壁的氢气。该方法包括用于消除腔的金属组分的处理步骤、测量腔中容纳的氢的量的步骤，以评估导管金属的腐蚀率。甚至在这种情况下，渗透氢的测量为渗透率测量，由于腐蚀，渗透率提高，但是这不能导致导管壁中存在的氢的含量或壁中的氢扩散性被测定。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于检测金属工件或制品中的氢的存在、和用于评估是否可能发生腐蚀过程或氢脆风险的装置。
本发明的一个特别的目的是提供一种用于确定氢是否存在于金属工件中、和用于评估由于涉及氢产生的处理工艺(例如电流处理、酸洗、化学铣削或电抛光)中金属工件的氢脆产生的腐蚀裂化风险的装置。
本发明的另一特别的目的是提供一种用于对金属进行氢渗透初步试验以评估氢扩散性和/或以预见相同金属的工件在如漆包工艺的表面处理过程中的性能的装置。
本发明的另一特别的目的是提供一种用于确定氢是否存在于设备的工件中、且用于评估设备的工件(例如用于运送和/或处理和/或储存例如待使用于机动车的配电设施中的氢气的管和容器)的氢有关风险的装置。
本发明的又一个特别的目的为提供一种用于通过氢渗透测量识别化学/能量制造工业中使用的管和容器元件的腐蚀工艺的装置。
本发明的一个特别目的为测定工件中存在的氢的含量和/或氢在工件中的扩散性，以及将该含量和/或扩散性与由于氢弱化或脆化率产生的工件的裂化风险相关联。
这些和其他目的通过一种用于测量通过渗透以氢原子的形式被工件吸收的氢的含量以表征工件与可弱化或导致工件脆裂的被吸收的氢之间的相互作用的装置来实现，该装置包括：
-探头，该探头包括：
-收集装置，用于容纳从工件散发出的一定量的被吸收的氢；
-入口孔，用于测量气体、特别是环境空气；
-混合腔，该混合腔布置为与入口孔和收集元件气连通，该混合腔用于混合测量气体和从工件散发出的一定量的氢，以便形成气态混合物，该气态混合物中从工件散发出的一定量的氢从原子形式变为分子形式；
-固态传感器，该固态传感器布置为用于测量气态混合物中的氢浓度，该固态传感器与混合腔气连接(气动连接、气压连接，pneumaticallycommunicate)以与气态混合物接触，该固态传感器用于响应气态混合物的氢浓度产生测量信号；
-气体传输装置，该气体传输装置布置为用于产生以预定流速从入口孔朝向固态传感器流动的测量气体流，该流布置为用于协助气态混合物在混合腔中形成且与固体传感器接触；
-处理器装置，该处理器装置与固态传感器功能地连接以接收测量信号，该处理器装置包括程序装置，该程序装置用于处理测量信号和计算与工件和被吸收的氢之间的相互作用有关的至少一个参数。
本身已知的固态传感器还用于氢，但仅用于测量可形成在环境中的气体-氢混合物中的氢浓度，而不用于测量金属或其他材料的工件中吸收且通过这些工件的表面散发出的氢。使用固态传感器的优点为其不包括电极，因此其不需要使用特定液体或凝胶，即可能有毒或有害的化学物质。
以氢原子的形式被吸收的氢渗透进工件的过程由于工件内部与其周围环境之间的被吸收的氢浓度梯度而发生，在周围环境中氢以分子形式存在且具有非常低的浓度，通常为约0.5ppm。
在根据另一示例性实施例的装置中，探头的收集元件包括用于散发出的一定量氢的进入开口，且包括用于将探头布置为使进入开口面对工件的装置，以便从工件散发出的一定量的氢穿过该进入开口以进入混合腔。该装置对于以工件中吸收的氢进行测量是有用的。
特别地，用于将探头布置为使进入开口面对工件的装置用于紧固探头以使开口布置为与工件接触。固定装置可为常规固定装置，特别地，其可包括机械装置，例如螺杆-螺纹装置、法兰装置以及焊接装置。可选地，或另外，该固定装置可为磁装置，例如，如果工件包括可被磁材料吸引的金属，该固定装置可包括磁材料制成的探头的至少一部分。
本发明的目的还通过一种用于测量从工件散发出的一定量的氢以表征工件与以氢原子的形式被工件吸收的氢之间的相互作用的方法，该方法包括以下步骤：
-将混合腔与工件邻近布置，以便从工件散发出的一定量的氢可进入混合腔；
-以预定流速将测量气体、特别是环境空气的流引入混合腔；
-在混合腔中形成测量气体与从工件散发出的一定量氢的混合物；
-将该混合物运送至固态传感器；
-通过固态传感器测量气态混合物中的氢浓度，检测步骤包括响应氢浓度产生测量信号的步骤；
-处理测量信号，和计算与工件和以氢原子的形式被工件吸收的氢之间的相互作用有关的至少一个参数。
在该方法的应用中，具有探头(其中具有用于引入工件的开口)的装置可用于检测和/或监控与以氢原子的形式被工件吸收的氢的存在有关联的风险，诸如用于与包含氢的气体接触的金属工件中的氢脆风险。这种情况下，布置混合腔的步骤提供了将进入开口布置为使混合腔面对壁的外表面、特别是使进入开口与壁接触的步骤。此外，提供了从混合腔抽气的步骤，由此导致引入测量气体的流、形成混合物和运送混合物的步骤。此外，处理测量信号的步骤计算壁中吸收的氢的含量的值C作为相互作用参数。特别地，控制步骤计算工件中吸收的氢的多个分布值。为了计算多个分布值，可对随时间变化的测量信号使用有限元法。
特别地，该装置可用于监控容器(例如管元件、容器和用于运送、储存和转移配送工艺或制造工艺中的包含氢的气体的其他设备)的壁中的氢脆风险。
在该方法的另一应用中，该装置可用于检测和/或监控用于运送、储存或转移腐蚀性液体的容器的壁在一段时间内的腐蚀。这种情况下，该方法不同于其中处理测量信号的步骤计算由于腐蚀性流体产生的壁的腐蚀率的值作为相互作用参数的检测和/或监控脆裂风险的情况。
容器可为管元件、储存容器或工艺设备。众所周知，在广泛范围的金属材料中，腐蚀与氢的还原反应和氢气的产生一起发生，只要围绕腐蚀位点的环境中的氧的还原条件不再存在。邻近腐蚀位点的壁的金属被一部分这样产生的氢渗透。因此，探头内形成的气态混合物中的氢的浓度提供了该容器内腐蚀过程、甚至广义的腐蚀过程的测量。换言之，被腐蚀影响的、从工件散发出的氢流可与壁的腐蚀率和重量/厚度损失有关，这允许预测(例如，由于内部压力或其他负载产生的)破裂的可能性。
在示例性实施例中，探头包括间隔导管，该间隔导管具有设有该开口的第一端和与第一端相对的第二端，该间隔导管与混合腔气连接。有利地，在容器在高温(典型地高于150℃)下操作的情况下，间隔导管的长度选择为使传感器处的温度不超过预定的最大温度，以保证传感器的操作和/或不减少其使用寿命。
这样，可以在容器用于甚至在高温下处理腐蚀性流体、和/或处理可容纳氢的气体情况下，分别检测和/或监控腐蚀过程、和/或氢脆风险。特别地，根据本发明的示例性实施例的装置可用于检测和监控与氢相关的损害事件，例如氢脆和氢脱离，即由于氢在冷却步骤中产生的内衬层分离。这对于氢裂化反应器的情况特别有用。
在另一示例性实施例中，该装置包括用于在使开口与表面保持预定距离的情况下将探头沿预定运动路径移动的装置。特别地，该用于移动探头的装置为用于根据预定时间程序、或跟随不同装置的运动来移动探头的自动装置。
在该方法的另一应用中，该装置可用于测量通过自动程序焊接两个金属元件时产生的氢气，在焊接过程中形成焊缝。为此，该装置可包括用于与自动焊接设备的焊接头连接的常规连接装置。由于开口与待焊接的金属元件有一些距离，也通过该开口从环境中抽吸测量空气。此外，该方法相对于检测和/或监控用于与包括氢的气体接触的金属工件中脆裂风险的情况不同，因为布置混合腔的步骤包括随着焊缝的前部的形成，将混合腔从金属工件移动预定距离的步骤。
这样，可以检测和监控一段时间内焊缝中吸收的剩余氢的含量，该剩余氢是称为冷却裂化的破坏事件的主要原因。
在一个示例性实施例中，该装置还包括用于在该工件中进行电化学渗透试验的设备，该设备包括：
-氢气源，该氢气源用于在与该工件的第二面相对的样品的第一面上产生测量氢气，收集元件布置在该第一面；
其中程序装置用于计算选自以下构成的组的相互关系参数：
-材料的扩散系数或扩散性；
-工件中吸收的氢的平均含量；
-工件中吸收的氢的分布。
特别地，氢气源为氢产生电解池，该电解池包括布置为产生工作电压的阳极和阴极、和布置在阳极和阴极之间的电解液，其中阴极具有与样品的电压相等的电压，阴极由金属材料制成，且样品具有与电解液接触的第一面，其中电压和电解液选择为导致第一面上测量氢的还原反应。
这样，提供了一种相对于现有技术装置(例如，相对于以上提到的Devanathan-Stachurski电池)有利地进行渗透测量的装置。实际上，该装置仅包括一个电解氢产生半电池，相反地，其不包括测量电解半电池。
因此，未使用其它电化学溶液用于测量，由此：
-一些腐蚀事件被防止，因为样品不具有暴露于测量溶液的阳极面；
-渗透试验之前该样品必须不被钝化，这节省了时间；
-事实上，相反地，在电化学测量中不需要样品表面的准确初步处理，即机械处理和清洁处理。
除了测定扩散性，该装置还可用于通过在有限工件的包漆之前处理样品进行用于初步估计金属表面上的釉层的强度的初步试验。
在一个示例性实施例中，该装置的探头包括用于容纳工件的容器，以便从工件散发出的一定量氢与该容器中的测量气体形成气态混合物，且处理器装置用于：
-从测量气体的流速和被吸收的氢的浓度计算来自工件的氢在一段时间内的流值；
-通过在预定时间间隔内对该时间内从工件散发出的一定量氢求积分来计算氢吸收参数、特别是工件中吸收的氢的平均含量，作为与相互作用有关的参数。
这样，本发明允许测量来自本体(例如金属本体，例如机械工件，如螺栓元件)的氢的释放，提供现在已知的解吸器的更便宜和更方便用户的替代。特别的优点是可以避免使用工业气体如氟和氩进行测量。这涉及更低的成本、更好的用户方便性和更好的安全性条件。除此之外，测量可在更短时间内进行，因为标定不需要考虑以上提到的工业气体的存在。
在一个示例性实施例中，该装置可包括用于加热工件的装置，例如电或感应加热装置，以协助氢散发出工件。
特别地，处理器装置用于计算工件中吸收的氢的含量的多个分布值。优选地，处理器装置用于响应时间使用有限元方法由测量信号计算该多个分布值。
由该装置，还可以知道给定温度(例如，工件的工作温度)下剩余的氢的含量。
根据本发明的另一特别示例性实施例的装置适于测量接受在化学或电化学浴中处理的金属工件中吸收的氢的含量，该处理通过在该金属工件的表面上产生氢气而发生，且在该装置中：
-探头具有限定出混合腔的金属壳；
-探头用于至少部分地浸入处理浴；
-金属壳本身用于接受暴露于处理浴、且待被另一些渗透氢渗透的其本身的外表面上的处理，以便渗透氢透过金属壳且进入混合腔；
-处理器装置用于计算选自以下构成的组的参数作为与被吸收的氢和金属工件之间的相互作用有关的参数：
-该金属工件中吸收的氢的含量；
-该处理的效率参数，更特别地，该处理的阴极效率参数。
特别地，处理器装置用于计算金属工件中吸收的氢的含量的多个分布值。优选地，处理器装置用于响应时间使用有限元方法由测量信号计算多个分布值。
在一个有利的示例性实施例中，探头包括管状本体，该管状本体具有与用于测量气体的入口孔气连接的第一端和与用于测量气体和被吸收的氢的混合物的出口孔连接的第二端，通过该管状本体，传感器与混合腔气连接。例如，管状本体可为U形弯曲的金属管，用于使其本身的中间部分浸入处理浴，管的端部留在处理浴外面。
根据该特别的示例性实施例的装置用于间接测量当金属工件接受在电化学浴中的表面处理时形成在金属工件上的被吸收的氢的含量，其中金属工件处于阴极电压或阳极电压。例如，该处理可为电化学涂覆金属沉积过程，例如镀银、电镀、镀镉、镀铬、或电抛光处理。
根据该示例性实施例的装置还适于测量化学浴(即，可与金属工件相互作用引起例如表面氧化的溶液)中发生的金属工件的处理(例如酸洗处理、或化学铣削处理)过程中被吸收的氢。
此外，根据该特别的示例性实施例的装置允许在很短时间内非破坏性地(特别是在电流处理中)估计被处理的工件的质量。基本上实时得知氢吸收情况、或在任何情况下在比常规方法允许的时间短很多的时间内得知氢吸收情况使其可能在运输包含太多被吸收的氢的工件之前拒绝和可能地处理工件，因此减少以后召回的数量或甚至避免安装之后的故障。
除此之外，根据该特别的示例性实施例的装置对于控制以上提到的处理工艺是有用的。换言之，该装置允许实时调节处理浴的操作参数，以校正可能的过量氢吸收。实时得知被吸收的氢的真实含量还允许评估处理之后是否可以避免工件的脱气，以减少制造成本和时间。
附图说明
现在将参考附图示出本发明，其示例性实施例的描述是示例性的但不是限制性的，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的装置；
图2示意性地示出了包括根据本发明的装置的、用于在样品中进行电化学氢渗透试验的设备；
图3为图2的装置的探头的示意性透视图；
图4和图5示意性地示出了用于监控被氢气的容器的壁吸收的氢、或用于跟踪腐蚀性流体的容器的壁的腐蚀的装置；
图6为图4和图5的装置的探头的示意性横截面图；
图7和图8示意性地示出了与图4和图5的装置类似的、适于在高温下工作的装置；
图9示意性地示出了用于测量在自动焊接过程中产生的氢气的装置；
图10示出了根据本发明的集成装置；
图11示意性地示出了用于测定工件、特别是被抛光的工件中吸收的氢的含量的装置；
图12示意性地示出了用于测定扩散性的方法；
图13示意性地示出了用于测定电流处理过程中工件中吸收的氢的含量的装置；
图14更详细地示出了优选的示例性实施例中的图13的装置的探头。
具体实施方式
参考图1，描述了一种用于测量从工件8散发出的一定量氢13的装置10，以表征工件8与工件8中吸收的氢的含量之间的相互作用。该装置包括探头7，探头7包括混合腔7'，由于混合腔7'中存在被吸收的氢，从工件8散发出的一定量氢13可进入混合腔7'，且混合腔7'配备有用于测量气体26的入口孔27。入口孔可为适于与包含加压气体(例如空气)的容器(如气体瓶，未示出)连接的环境空气吸收孔或喷嘴。装置10还包括固态传感器15和用于将传感器15与混合腔7'气连接的连接装置28。装置10进一步包括用于以预定流速W将测量气体从入口孔27向固态传感器15运送的气体运送装置14。由于该运送装置，在混合腔7'中由从工件8散发出的一定量氢13和测量气体26形成混合物24，混合物24通过连接装置28被运送至固态传感器15。传感器15用于测量气体混合物24中的氢浓度F、和根据浓度F产生测量信号19。
在图1的示例性实施例中，气体传送工件可包括风扇14，风扇14优选地布置在传感器15的下游或传感器15可进入的腔的下游。在另一示例性实施例中，风扇14可位于混合腔7与传感器15之间。特别地，如图10所示，探头和传感器可形成紧凑装置，其中传感器15布置在探头7的内部。
在一个示例性实施例(未示出)中，运送装置可包括与加压气体容器(如气体瓶)相关联的流调节装置(例如调节阀)。
装置10还包括与固态传感器15功能地连接的处理器装置16，以接收测量信号19。处理器装置16适于处理测量信号19，用于计算表征工件8与工件8中吸收的氢之间的相互作用的参数17。
参考图2，描述了一种用于在样品86中进行电化学渗透试验的渗透试验设备40。装置40包括用于产生测量氢气13'的氢气产生装置31。在示出的示例性实施例中，产生装置包括电解气体产生单元，即产生池31。产生池31包括容器32，容器32在使用时包括产生溶液33和电路34，电路34包括电压发生器35和阳极36，电压发生器35和阳极36布置在容器32内且浸入产生溶液33。阳极36与发生器35的正极连接。发生器35的负极可与阴极37连接。如果样品86由金属材料制成，阴极37可包括样品86或可与样品86接触。产生溶液33可通过将进行该初步渗透试验的用途考虑进来而选择。在漆包处理的情况下，产生溶液可为还包括氢制备促进剂的、H2SO4溶液的NaOH溶液。在酸洗处理的情况下，产生溶液33可为常规酸洗浴。
设备40中，样品86电布置为与产生池31的阴极37的电压相同，因此氢还原反应可发生在样品86上，且氢以氢原子的形式渗透进材料且然后作为气态分子氢13从材料出来。
设备40进一步包括根据本发明的、用于测量被样本86吸收的氢的含量的装置30。根据本发明的装置30包括探头38。探头可为大体钟形的元件38，如图3所示，探头包括混合腔38'，探头配备有用于从样本86散发出的一定量氢13的进入开口29，且还配备有用于作为测量气体的环境空气26的至少一个入口孔。探头还配备有用于将探头38布置为使开口29面对工件或样品86的装置(未示出)，这种情况下样品86上优选设有固定装置。
装置30进一步包括固态传感器15以及气体传输装置，例如风扇14。混合腔38'与风扇51之间还设有气连接装置28。特别地，气连接装置可包括探头38内的传感器壳体15，传感器壳体15与传感器15形成紧凑装置，如图10所示。
从样品86散发出的一定量氢13通过开口29进入探头38的混合腔38'。在混合腔38中'，由于风扇14，散发出的一定量氢13与由于风扇14通过孔27吸入的空气混合，形成空气/氢混合物24。由于风扇14的抽吸，混合物24到达传感器15。传感器15用于响应在线分析的混合物24的氢浓度、特别是与在线分析的混合物24的氢浓度成正比地产生电信号19。传感器15的电子部件电连接至处理器单元16以向处理器单元16提供信号19。在处理器单元16中，信号19可被处理以测定样品86中的氢的扩散性D和渗透进样品86中的氢的平均浓度值。
扩散性D可通过现有技术中使用的相同的熟知程序通过Devanathan-Stachurski电池来测定。更详细地，参考图12，测量信号19、例如电流信号被显示为实时图，电流信号始于试验初始时间t0，从值i0开始增长，然后保持为基本恒定的值i1。对初始时间t0与通用时间t之间的时间内的信号求积分，获得函数18'，信号19越接近值i1，函数18越近似直线18'。线18'与时间轴的交点表示时间tL(已知为时间标签)，这允许通过公式D＝σ2/6tL计算扩散性D，其中σ为样品的厚度。
在漆包初步试验中，除了计算扩散性D的步骤之外，设有当氢穿过样品86时测量氢的渗透时间的步骤，还设有计算样品86内的游离氢的含量CL的步骤。
通过该测定，可使得漆包方法符合EN10209、UNI9904、UNI8763规定。
样品86内的渗透氢的平均含量可通过对始于试验初始时间t0的预定范围t0至t1内的信号19(图12)求积分来测定。
参考图10，描述了集成装置30的一个示例性实施例，其中细长本体6包括探头38的混合腔38'、和用于传感器15的壳体28，壳体28提供传感器15与混合腔38的气连接。细长本体6'具有用于将其本身的一个端部固定至工件86的固定装置(未示出)。在相同的该端部，细长本体6具有用于从工件86散发出的一定量氢13进入混合腔38'的两个进入开口29。在细长本体6的相对的端部(设有探头15的壳体28)，还存在用于探头15的支撑元件。入口孔26与壳体28之间的空间限定出用于产生散发出的一定量氢13和测量空气26的混合物24的混合腔38'。在壳体28处，本体6还具有用于气态混合物24的出口孔28”。出口孔28”和与细长本体6成一体的风扇14气连接。
固态传感器15可为例如从Sinkera技术公司可得的MikroKera4L氢传感器。
参考图4至图6，描述了根据本发明的示例性实施例的、一种用于例如在石油化学工业中监控布置为在室温下包含腐蚀性流体的壳体部分的条件的装置50。图4示出了容器91，例如管元件，容器91包含或更特别地运送腐蚀性工艺液体92。装置50通过常规装置(例如，磁装置，如果磁装置被容器91的材料允许)安装至容器91'的金属壁91的外表面。有利地，根据图1的示意图，装置50具有供电连接件59'和优选的用于输出处理器单元16计算的数据的数据连接装置59”。更详细地，如图5所示，装置50包括探头51，探头51包括混合腔51'。探头51还配备有用于环境空气壳体部分91或靠近环境空气壳体部分91的入口孔27，且探头51还配备有用于固态探头51的壳体28，以在距离壁91一定距离处的探头51的一部分中将探头51与混合腔51'气连接。
探头51包括用于固定至壁91'的外表面的装置(未示出)，例如磁固定装置。从样品86散发出的一定量氢13通过开口29进入混合腔51'。在混合腔51'中，散发出的一定量氢13与被风扇14从入口孔27吸入的空气混合，因此形成空气/氢混合物24。由于风扇14的抽吸，混合物24到达传感器15。传感器15用于响应在线分析的混合物24的氢浓度、特别是与在线分析的混合物24的氢浓度成正比地产生电信号19。传感器15的电子部件电连接至处理器单元16以向处理器单元16提供信号19。在处理器单元16中，信号19被处理以获得渗透进入壁91'的氢的浓度的值。探头51、传感器15、风扇14和处理器装置16可被密封在布置为与容器91的壁91连接的盒54中。更特别地，装置50可为紧凑装置，如图10所示。
如上所示，该方法提供了通过有限元方法从氢的流Ф的测量信号计算金属中的真实本地氢浓度C的步骤。可选地，或另外地，设有测定由于腐蚀性流体产生的金属中的腐蚀的速率的步骤。
图4、图5和图6的装置还可用于进行氢渗透测量，以评估与被渗透吸收的氢相关联的风险，例如用于容纳包括氢的气体92或可使氢升高的流体92的容器91的金属壁91'的氢脆风险。更详细地，例如，装置50可用于评估高于预定脆裂含量值C*的氢含量C的存在，高于预定脆裂含量值C*时壁91'的氢脆的风险显著提高。这种情况下，处理器装置16用于从与气体混合物26中的氢的浓度相关的测量信号19计算壁91'内的氢的含量的值C。
参考图7和图8，描述了根据本发明的示例性实施例的、用于在固态传感器不能操作的高温下监控布置为用于容纳腐蚀性流体的容器的状态的装置60。图7示出了容器93，例如器皿，容器93包括腐蚀性工艺液体。装置60包括探头61，探头61包括混合腔62，混合腔62中布置有固态传感器15，探头61还包括用于使传感器15和处理器装置16与容器93的壁93'保持一定距离的间隔件63，这种情况下为管状间隔件。间隔件63具有面向壁93'的外表面的第一端和与第一端相对、与混合腔62气连接的第二端。管状间隔件63具有适于保证混合腔62的温度使固态传感器能够工作的长度L。混合腔62、传感器15、风扇14和处理器装置16可被密封在盒54中。更特别地，装置60可为紧凑装置，如图10所示。
在图8的示例性实施例中，测量部分60可包括与图4至图5的装置50相同的结构。换言之，装置60与装置50的不同仅为管状间隔件63。
处理步骤与参考装置50描述的步骤类似。处理步骤还可包括以下步骤：
-计算临界浓度，高于该临界浓度可能与反应器的壁分离(脱离)；
-计算HE的临界浓度；
-计算氢裂化的风险程度。
图7和图8的装置60还可用于进行氢渗透测量，以评估例如用于容纳包括氢气的高温气体或可使氢气增加的流体的容器93的金属壁93'的氢脆的风险。更详细地，例如，装置60可用于检测高于确定的脆裂含量值C*的氢含量C的存在，高于该确定的脆裂含量值C*时，壁93'的氢脆的风险显著提高。这种情况下，处理器装置16用于从与气体混合物26中的氢浓度有关的测量信号19计算壁93中的氢的含量的值C。
参考图9，描述了一种用于测量当通过自动程序将两个金属元件67'、67”沿焊线68相互焊接(因此产生焊缝69)时产生的氢气的装置65。装置65包括探头66，探头66可有利地包括用于与自动焊接设备的焊接头连接的连接装置(未示出)，或探头66可与用于与焊接头同步地平移混合腔66的装置相关联。探头66布置为距离金属元件67'、67”一定距离，优选几mm的距离，以吸入环境空气和焊接时产生的氢气，以在探头66的混合腔66'中形成空气/氢混合物24。混合物24被朝向传感器15运送且如前面描述的装置中一样被处理。
装置65的处理器装置16还用于进行计算由于焊接程序过程中增加的氢产生的冷却裂化的风险程度的步骤。
参考图11，示出了用于测定工件(特别是如螺栓元件的机械工件94)中保持的氢的含量的装置70。装置70包括探头71，探头71包括容器72，该示例性实施例中容器72为U形管72，容器72布置为容纳工件94。U形管72具有两个端部73'、73”且具有靠近端部73'的用于环境空气的入口孔27和靠近连接端部73”的出口孔28，出口孔28形成与固态传感器15气连接。固态传感器与吸气风扇14一起被安装至管状支撑件77。
在一个示例性实施例中，装置70可包括用于加热工件94的装置，例如常规电或感应加热装置(未示出)。
由于测量空气26的环绕流和可能的加热步骤，样品94释放出前面处理过程中形成的氢13作为气体。氢气13与通过入口孔27吸入的测量空气26形成气态空气-氢混合物24。由于风扇14的抽吸，气体混合物24通过气连接装置28到达传感器15。传感器15用于响应在线分析的混合物24的氢浓度、特别是与在线分析的混合物24的氢浓度成正比地产生电信号，因此响应工件94在试验条件下随后释放的一定量氢13产生电信号19。参考前面示例的描述处理信号19。
这种情况下，处理器装置16用于从测量气体26的流速W和气体混合物24的氢浓度F计算一段时间内的氢流值Ф，例如从气体传输装置(例如容积式风扇)的特征得知流速W，氢浓度F由传感器15测定。处理器装置16还用于通过在预定时间间隔内对气体混合物24中包含的氢的该流求积分来计算特别是工件94中吸收的氢的平均含量Cm。
参考图13，描述了用于当工件被电化学浴(例如电流处理浴)处理时测定工件中的氢的含量的装置20。电流处理装置示意性地包括布置为用于容纳电流处理溶液或浴81的处理罐80、电路82、沿电路82布置的电压发生器83、使用时浸入罐80内的处理溶液81中的阴极元件84′和阳极元件84″。待被电流处理的工件85布置在罐80内，被处理溶液81浸没。
装置20包括探头21。探头21可由任何金属材料制成，金属材料不需要与被处理的工件85的材料相同，因为氢还原条件取决于浴条件。使用时，探头21的外表面被罐80内包含的溶液81部分地浸没，且探头与阴极元件84′电连接。在一个示例性实施例中，如示出的，探头21包括U形管。其他形状是可能的，只要该管的一个端部21′可从待与测量气体进入孔(例如环境空气进入孔)连接的浴81中露出来。可选地，探头21可包括圈形元件(未示出)。U形管21的一个端部21″通过导管22与固态传感器15连接。
电流处理过程中，一定量氢气13形成在探头21的外表面和工件85的外表面上。在探头21的情况下，氢13渗透进入U形管21，在U形管21处氢13与被风扇14通过端部孔21′吸入的测量空气26混合，因此形成空气/氢混合物24。由于风扇14的抽吸，混合物24到达传感器15。传感器15用于响应在线分析的混合物24的氢浓度、特别是与在线分析的混合物24的氢浓度成正比地产生电测量信号19。传感器15的电子部件与处理器单元16电连接以向处理器单元16提供信号19。
处理器单元16中，信号19被处理以获得描述被吸收的氢与探头21之间的相互作用、因此描述被吸收的氢与工件85之间的相互作用的至少一个参数17。特别地，处理器单元16用于计算工件85中的氢的剩余含量C的曲线的值，可将这些值与含量的最大值C*(称为临界含量)比较，超过临界含量时，氢脆的风险是不可接受的。处理器单元16可用于自动进行该比较，且将其结果通过常规显示装置(例如数字或模拟显示装置和/或光学和/或声学报警装置)通知给操作者。
为了产生含量C在一段时间内的曲线的值，即工件85中的剩余氢浓度与时间的曲线，处理器装置16可用于进行有限元方法。
换言之，通过获知金属中的氢的扩散系数D、临界含量C*、以及工件的特征(例如表面积S和厚度T)，可以测量通过探头21的表面的氢13的流Ф。因此也可计算金属中吸收的氢的含量C。特别地，可以从流Ф计算扩散系数D。通过将C与C*比较，可以评估工件的氢脆风险。
处理器单元16可进一步用于计算工艺的阴极效率参数ηC。除此之外，处理器单元16还可用于产生控制信号，该控制信号为可被控制处理单元接收的形式。
装置20还可用于评估接受化学浴中的处理(例如酸洗处理)的工件中的氢脆的风险。用于该浴的该装置的构造可从图14获得，其中省略了包括项目82、83、84′、84″的电装置。
探头21优选为一次性探头，因为在处理和测量过程中，探头21被涂覆有电流处理浴81的特定涂层，因此装置20优选地制成为用于协助更换探头21，即将探头从罐80中取出或将探头放入罐80内。
前面的、用于测量氢渗透的装置和其使用模式的应用的、根据本发明的装置的特定示例性实施例的描述将根据概念观完全揭示本发明，以便其他人通过应用流知识将能够在各种应用中在没有另外研究且不超出本发明的情况下改变和/或调节特定的示例性实施例，且相应地，这是指这些调节和改变必须被认为等同于该特定实施例。为此，在不超出本发明的领域的情况下，为了实现本发明描述的不同功能的装置和材料可具有不同特征。应当被理解的是，本文使用的措辞或术语是为了描述而不是限制的目的。

Claims (15)

1.一种测量通过渗透以氢原子的形式被工件(8、21、85、86、87、91、93、69、94)吸收的氢的含量以表征所述工件与能够弱化所述工件或导致所述工件的脆裂的被吸收的氢的含量之间的相互作用的装置(10、20、30、50、60、65、70)，所述装置包括：
-探头(7、21、38、51、61、66、71)，所述探头(7、21、38、51、61、66、71)包括：
-收集元件(29)，所述收集元件(29)用于与所述工件(8、21、85、86、87、91、93、69、94)相关联和用于接受从所述工件散发出的一定量被吸收的氢；
-用于测量气体(26)、特别是用于环境空气的入口孔(27)；
-混合腔(7′、25、38′、51′、62、72)，所述混合腔(7′、25、38′、51′、62、72)布置为与所述入口孔(27)和所述收集元件(29)气连通，用于将所述测量气体与从所述工件散发出的所述一定量的氢混合，以便形成气态混合物(24)，所述气态混合物(24)中所述散发出的一定量的氢(13)从所述原子形式变为分子形式；
-固态传感器(15)，所述固态传感器(15)布置为用于测量所述气态混合物(24)中的氢浓度(F)，所述固态传感器(15)与所述混合腔(7′、25、38′、62、72)气连接以与所述气态混合物(24)接触，所述固态传感器(15)用于响应所述气态混合物(24)的所述氢浓度(F)产生测量信号(19)；
-气体传输装置(14)，所述气体传输装置(14)布置为用于产生预定流速(W)的所述测量气体(26)的流(Φ)，所述测量气体(26)的流(Φ)从所述入口孔(27)穿过所述混合腔(7′、25、38′、62、72)流向所述固态传感器(15)，所述流布置为协助所述气态混合物(24)在所述混合腔(7′、25、38′、51′、62、72)内形成以及协助所述气态混合物(24)与所述固态传感器(15)接触；
-处理器装置(16)，所述处理器装置(16)与所述固态传感器(15)连接以接收所述测量信号(19)，所述处理器装置(16)包括程序装置，所述程序装置用于处理所述测量信号(19)和用于计算与所述工件(8、21、86、87、91、93、69、94)和所述被吸收的氢之间的所述相互作用有关的至少一个参数(17)。
2.根据权利要求1所述的装置(30、50、60、65)，其中所述探头(38、51、61、66)的所述收集元件包括用于从所述工件散发出的所述一定量氢(13)的进入开口(29)，和用于将所述探头(38、51、61、66)布置为使所述进入开口面对所述工件(86、87、91、93、69)以便从所述工件(86、87、91、93、69)散发出的所述一定量氢(13)穿过所述进入开口且进入所述混合腔(38′、51′、61′、66′)的装置。
3.根据权利要求2所述的装置(30、50、60)，其中所述用于将所述探头(38、51、61、66)布置为使所述进入开口(29)面对所述工件(86、87、91、93)的装置用于紧固所述探头(38、51、61)以使得所述进入开口(29)被布置为与所述工件(86、87、91、93)接触。
4.根据权利要求2所述的装置(30、50、60)，其中所述探头(61)包括间隔导管(63)，所述间隔导管(63)具有与所述进入开口(29)连接的第一端(63′)和与所述第一端(63′)相对的第二端(63")，所述间隔导管(63)与所述混合腔(62)气连接。
5.根据权利要求1所述的装置(30、50、60)，还包括用于在所述工件中进行渗透试验的设备(40)，所述设备(40)包括氢气源(31)，所述氢气源(31)用于在与所述工件的第二面(89)相对的所述工件(86)的第一面(88)上产生测量氢气(13′)，所述收集元件(29)布置在所述第一面(88)；
其中所述处理器装置(16)用于计算选自以下构成的组的相互作用参数(17)：
-所述工件中的氢的扩散系数或扩散性(D)；
-所述工件(86)中吸收的氢的平均含量(Cm)；
-所述工件(86)中吸收的氢的分布(C)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述氢气源(31)为电解池(31)，所述电解池(31)包括：
-布置为产生电压(V)的阳极(36)和阴极(37)；
-布置在所述阳极(36)与所述阴极(37)之间的电解液(33)；
其中所述阴极(37)具有与所述工件(86)的电压相等的电压且所述电解池(31)用于保持所述电解液(33)与所述工件的所述第一面(88)接触；
其中所述电压(V)和所述电解液(33)被选择为在所述第一面(88)上产生所述测量氢气(13′)的还原反应。
7.根据权利要求1所述的装置(70)，其中所述探头((71))包括容器(72)，所述容器用于容纳所述工件(94)，以便从所述工件(94)散发出的所述一定量的氢(13)与所述容器(72)内的所述测量气体((26))形成所述气态混合物(24)，且所述处理器装置(16)用于：
-从所述测量气体(26)的所述流速(W)和所述氢浓度(F)计算从所述工件(94)散发出的所述氢(13)在一段时间内的流值(Ф)；
-通过在预定时间间隔内对所述时间内的所述流(Ф)求积分计算氢吸收参数、特别是所述工件(94)中吸收的所述氢的平均含量(Cm)，作为与所述相互作用有关的至少一个参数(17)。
8.根据权利要求1所述的装置70，其中所述探头(71)包括加热装置，所述加热装置用于当所述一定量的氢(13)从所述工件(94)散发出时将工件(94)保持为预定温度。
9.根据权利要求1所述的装置(20)，所述装置(20)用于测量在处理浴(81)内接受处理的工件(85)中吸收的氢的含量，所述处理通过在所述金属工件(85)的表面上产生氢气而发生，其中：
-所述收集元件包括限定出所述混合腔(25)的金属壳(21)；
-所述金属壳(21)用于至少部分地浸入所述处理浴(81)；
-所述金属壳(21)本身用于在暴露于所述处理浴(81)的本身的外表面上接受处理且用于被另外一定量所述氢渗透，以便所述氢渗透入所述金属壳(21)且进入所述混合腔(25)；
-所述处理器装置(16)用于计算选自以下构成的组的参数作为与所述相互作用有关的参数：
-所述金属工件(85)中吸收的氢(13)的含量(C)；
-所述处理的效率参数(η)，更特别地，所述处理的阴极效率参数(ηC)，
特别地，所述处理选自以下构成的组：
-电化学涂覆金属沉积工艺；
-酸洗工艺；
-化学铣削工艺；
-电抛光工艺。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述金属壳包括管状本体(21)，所述管状本体(21)具有与所述入口孔(27)气连接的第一端(21′)和与出口孔连接的第二端(21”)，所述固态传感器(15)通过所述出口孔与所述混合腔(25)气连接。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述程序装置用于处理所述测量信号(19)，和用于响应于所述时间，从所述测量信号通过以有限元方法计算所述工件中吸收的所述氢的多个分布值，计算与所述工件(8、21、86、87、91、93、69、94)和被吸收的所述氢之间的所述相互作用相关的至少一个参数(17)。
12.一种测量通过渗透以氢原子的形式被工件(8、21、85、86、87、91、93、69、94)吸收的氢的含量以表征所述工件与能够弱化所述工件或导致所述工件的脆裂的所述被吸收的氢之间的相互作用的方法，所述方法包括以下步骤：
-将混合腔(7′、25、38′、51′、62、66′、72)与所述工件(8、21、85、86、87、91、93、69、94)邻近布置，以便散发出的一定量的氢(13)可进入所述混合腔(7′、25、38′、51′、62、66′、72)；
-将测量气体(26)、特别是环境空气的流以预定流速(W)引入所述混合腔(7′、25、38′、51′、62、66′、72)；
-在所述混合腔(7′、25、38′、51′、62、66′、72)内形成所述测量气体(26)与散发出的所述一定量的氢(13)的混合物(24)；
-将所述混合物(24)运送到与所述混合腔(7′、25、38′、51′、62、66′、72)相关联的固态传感器(15)；
-通过所述固态传感器(15)测量所述气态混合物(24)中的氢浓度(F)，所述测量步骤包括响应所述氢浓度(F)产生测量信号(19)的步骤；
-处理所述测量信号(19)和计算至少一个参数(17)，所述至少一个参数(17)与所述工件(8、21、86、87、91、93、69、94)和从所述工件散发出的所述氢之间的所述相互作用有关。
13.根据权利要求11所述的方法，其中提供测定高于预定脆裂值(C*)的所述被吸收的氢的含量的步骤，其中所述工件包括用于容纳包括氢的气体(92)或布置为产生氢的流体的容器(91、93)的壁(91′、93′)，其中
-所述混合腔(51′、61′)具有用于从所述工件散发出的所述氢(13)的进入开口(29)；
-所述布置混合腔(51′、61′)的步骤提供了将所述混合腔(51′、61′)布置为使所述进入开口(29)面对所述壁(91′、93′)的外表面、特别是使所述进入开口与所述壁(91′、93′)接触的步骤；
-提供从所述混合腔(51′、61′)吸气的步骤，由此导致引入测量气体(26)的流、形成混合物(24)和运送所述混合物(24)的所述步骤；
-其中测定高于预定脆裂值(C*)的所述被吸收的氢的浓度的步骤使得处理所述测量信号(19)的步骤计算所述壁(91′、93′)中吸收的氢(13)的浓度的值(C)，特别是所述工件内吸收的氢的含量的多个分布值，作为所述相互作用参数(17)。
14.根据权利要求11所述的方法，其中提供检测和/或监控用于容纳腐蚀性流体(92)的金属容器(91、93)的壁(91′、93′)的腐蚀过程的步骤，其中
-所述混合腔(51′、61′)具有用于从所述工件散发出的所述氢(13)的进入开口(29)；
-所述布置混合腔(51′、61′)的步骤提供了将所述混合腔(51′、61′)布置为使所述进入开口(29)面对所述壁(91′、93′)的外表面、特别是使所述进入开口与所述壁(91′、93′)接触的步骤；
-设有从所述混合腔(51′、61′)吸气的步骤，由此导致引入测量气体(13)的流、形成混合物(24)和运送所述混合物(24)的所述步骤；
-其中所述检测和/或监控腐蚀过程的步骤使得所述处理所述测量信号(19)的步骤计算由于所述腐蚀性流体(92)产生的所述壁(91′、93′)的腐蚀率的值，作为所述相互作用参数(17)。
15.根据权利要求11所述的方法，其中提供当通过自动程序(69)形成金属工件(67′、67″)的焊缝(69)时检测高于所述焊缝(69)的预定脆裂值(C*)的被吸收的氢的剩余含量的步骤，其中：
-所述布置混合腔(66′)的步骤包括随着所述焊缝(69)的前部的形成将所述混合腔(66′)从所述金属工件(67′、67″)移动预定距离的步骤；
-提供从所述混合腔(66′)吸气的步骤，由此导致引入测量气体(13)的流、形成混合物(24)和运送所述混合物(24)的所述步骤；
-其中所述测量步骤使得处理所述测量信号(19)的所述步骤计算所述焊缝(69)中吸收的氢(13)的剩余含量(C)的值，作为所述相互作用参数(17)。
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