CN113252529A - 一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于聚变堆燃料技术，具体涉及一种针对氢及其同位素的渗透测试系统及测试方法，系统包括样品工装、与样品工装连接的上游供气管路和下游出气管路，以及设于管路上的加热系统、真空系统、供气系统、标定系统和信号搜集系统；方法包括装样检漏测试、设备校准、抽真空、加热出气、高温测试获取数据之后进行数据分析。采用两套真空单元实现超高真空环境，保证数据收集系统所得数据更精准，大大降低系统背底，对样品上游抽真空，保证样品表面在高温测试过程不受杂质气体污染，两套真空系统均为无油真空机组，避免了油蒸汽分子对系统的污染。

Description

一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于聚变堆燃料技术，具体涉及一种针对氢及其同位素的渗透测试系统及测试方法。

背景技术

可控核聚变能源是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一。氢及其同位素(氘、氚)是磁约束核聚变反应堆的重要燃料。对于2GW DEMO示范堆，氚的日消耗量在313g，而ITER日产氚量仅有0.4g，CANDU氚价格在30000美元/g，正常工况条件释放到环境中的氚一年不高于1g。鉴于经济性、安全性考量，燃料氚高效利用是聚变堆商业化的一大关键，成为聚变领域的研究焦点。

氢能源是全球公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源也正在脱颖而出。据测算，到2050年，氢能源在中国能源体系中的占比约为10％，氢气需求量接近6000万吨，年经济产值将达12万亿元。进入2019年，广东、山西等10个省份将发展氢能源利用写入政府工作报告，山东、河北、浙江等省份陆续发布本地氢能源产业规划。氢能源发展势头凶猛，氢安全也必将是氢能源发展中的重要课题。

然而，氢及其同位素原子半径很小，极易在材料中扩散和滞留。以聚变反应堆中的氦冷锂铅包层为例，氚损失量可达24.7g/y，引发安全问题。同时滞留到材料中的氢及其同位素可与材料晶界处的析出相形成金属氢化物，影响材料结构稳定性，产生氢脆，甚至导致材料失效。因此，需对材料的阻氢渗透性能进行有效评价，以便筛选出阻氢及其同位素渗透性能优异的结构材料或涂层材料。目前，基于菲克第一定律，可利用高温气体驱动渗透方法对平面小试样进行测试，获得氢在材料中的扩散系数、渗透率等参数。

然而真实工况环境下氢及同位素输运绝大多数发生在管路中，平面件或平面区域相对较少，而氢及其同位素在管件材料中的渗透、扩散行为也区别于平面试样，特别是对于有特殊取向的冷轧材料，利用现有测试方法获得的数据还未能真实体现氢及其同位素在管材中的扩散、迁移特性。随着氢能产业发展和磁约束核聚变反应堆工程化进程的加速，氢及其同位素在管材中的扩散、渗透参数急需获得，建立相关测试系统及方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统及测试方法。

本发明的技术方案如下：

包括样品工装、与样品工装连接的上游供气管路和下游出气管路，所述的上游管路上设有阀门V2、真空系统和供气系统，所述的下游出气管路上设有阀门V6和信号搜集系统，所述的标定系统设于信号搜集系统和供气系统之间；所述的真空系统和供气系统的管路并联汇总，汇总管路上设有安装上游真空仪G1；所述的供气系统提供三路并联的H₂、D₂、N₂气路，并且分别通过阀门V3、V4和V5控制开闭；所述的信号搜集系统由下游真空仪G2、阀门V7、四极质谱仪、下游干泵、下游分子泵及离子泵组成；所述的四极质谱仪、阀门V7和下游分子泵、和下游干泵在管路上串联，并且阀门V7和下游分子泵之间的管路上引出旁支管路，其上安装离子泵；整个四极质谱仪、阀门V7和下游分子泵、和下游干泵串联的管路与所述的下游出气管路在阀门V6后端交汇，且在交汇处与阀门V6之间的管路上安装下游真空仪G2。

所述的信号搜集系统和供气系统的供气出口之间管路上安装阀门V10，用于控制供气系统向信号搜集系统流入的气体流量。

所述的标定系统由沿着气体流动方向安装在管路上的阀门V9、标准漏孔和阀门V8组成。

所述的阀门V9为上游(即供气端)阀门，该阀门安装在供气系统的供气出口和标准漏孔之间的管路上。

所述的阀门V8为标定系统气体出口通往信号搜集系统的控制阀门。

所述的真空系统维持标定系统上游管路处于高真空状态，即可开始由供气系统充入D₂进行标定。

所述的加热系统包括管式加热炉，其内部放置待测量的样品工装，样品工装前后安装管路。

所述的管式加热炉采用电阻丝加热。

所述的真空系统包括两路并联管路，一个管路上沿着气体流动方向依次安装上游分子泵和阀门V1，另一个管路上沿着气体流动方向依次安装上游干泵和阀门V11。

一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，按照如下步骤：

步骤1)、装样及检漏测试

对样品工装进行检漏测试，其漏率不高于10^-11Pa·m³/s时，连入系统进行下一步；

步骤2)、对设备进行校准，得出四极质谱仪的准确度K

式中J₀为标准漏孔的出厂标准漏率通量；

I_D为四极质谱仪的稳定曲线时D₂的离子流强度；

步骤3、步骤3、抽真空

使得样品上游管路真空度低于3.0×10^-4Pa，样品下游管路真空度低于5.0×10^{- 7}Pa；

步骤4)、加热除气

加热炉升温至300-600℃，打开四极质谱仪，待背底离子流强度小于10^-9mbar后，向样品上游管路充入D₂并关闭上游真空系统，D₂压力0-70kPa；

步骤5)、高温测试

测试不同温度下或者不同D₂压力下的离子流强度I，保存数据；

步骤6)、关闭系统至室温

步骤7)、数据分析

步骤7.1)、获得样品的渗透通量J

J＝K*I (2)

步骤7.2)、渗透通量单位转换

将步骤7.1中的渗透通量，从单位Pa.m³/s转为mol/m²/s，转化完之后的渗透通量J如下：

式中，R－－理想气体常数，取值8.314

T－－气体渗透温度；

S－－样品渗透面积；

步骤7.3)、确定渗透率Φ

式中Φ₀－－管材样品的前置因子；

E_Φ－－管材样品的渗透活化能；

步骤7.4)、确定扩散系数D

D＝d²/15.3t_b (5)

式中t_b为穿透时间，d为管状样品的壁厚。

所述的步骤1)中的样品工装包括安装固定板以及与固定板焊接的测试管，样品工装前后端加工有通气孔，分别与样品工装的上下游管路连通，上游管路的通气孔位于固定板的端部，在渗透实验时，该端口通入渗透气体H₂和D₂进行渗透实验；下游管路的通气孔位于测试管管内，连通下游管路，并由四极质谱仪检测渗透气体种类及信号强度。

所述的步骤1)具体为：样品工装安装完成后，再打开V11、V10分别连通真空系统的上游干泵和下游进入信号搜集系统的供气管路，对下游管路进行抽真空，直到上游分子泵所能抽到的最高真空，再关闭V10、V11；打开信号搜集系统的下游分子泵和离子泵，进一步对下游管路抽真空，使得真空仪G2显示达到10^-5Pa以上，即可证明整体系统没有气漏点。

所述的步骤2)中：系统所处的温度范围为20～30℃，相对湿度0～20％。

所述的步骤2)中的标准漏孔工作温度为25℃，压强在100KPa，D₂的标准漏率通量J₀是2.0×10^-5Pa.m³/s。

所述的步骤2)具体为：在校准前检查系统的各个阀门闭合状态，阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6、V11应闭合，阀门V7、V8和V9应打开及四极质谱仪处于开机状态，直到标准漏孔的上下游皆处于高真空状态，此时打开V3阀门通入压强100KPa的D₂，当四极质谱仪的读数稳定，此时记录四极质谱仪显示的曲线稳定时的D₂的离子流强度I_D。

本发明的显著效果如下：

采用两套真空单元实现超高真空环境，一套真空单元位于信号搜集系统，包含离子泵、分子泵和机械泵，保证数据收集系统所得数据更精准，大大降低系统背底；一套真空单元位于样品上游真空系统，包含分子泵和机械泵，对样品上游抽真空，保证样品表面在高温测试过程不受杂质气体污染，两套真空系统均为无油真空机组，避免了油蒸汽分子对系统的污染。

套进气管路，可用于质谱仪校准，使质谱仪离子流强度与漏率转换系数k更精准，提高系统精度；还可以用于样品测试，可通入D₂、N₂，拓宽了装置的测试能力。

四极质谱仪获取氢及同位素渗透信号。四极质谱仪可对其它质量数(H₂、H₂O、N₂、O₂等)气体进行实时在线分析，可深入研究氢及其同位素渗透过程中的物理化学行为，大大提高装置测试能力。

标准漏孔对四极质谱仪进行校准，拆卸方便，可定期对标准漏孔进行校准。标准漏孔为思维洛克标准件，螺纹连接接入测试系统，在固定温度和压力下气体漏率一定，可将校准后的标准漏孔标定质谱仪离子流强度与漏率的线性常数，将离子流强度信号转换为漏率信号，在每次测试前均可对系统进行校准，压力可连续变化，保证测试数据精度及可靠性。

附图说明

图1为金属管件的高温气体驱动渗透测试系统示意图；

图2为样品工装示意图；

图中：100.加热系统；200.真空系统；300.供气系统；400.标定系统；500.信号搜集系统；

1.样品工装；2.管式加热炉；3.标准漏孔；4.下游分子泵；5.下游干泵；6.上游分子泵；7.上游干泵；8.H₂气瓶；9.D₂气瓶；10.N₂气瓶；11.四极质谱仪；12.离子泵；13.测试管；14.固定板。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，测试系统包括五大子系统及相应的管道和阀门V1-V9共同组成。

子系统为：加热系统100、真空系统200、供气系统300、标定系统400、信号搜集系统500；

管路由316不锈钢制造，各段采用焊接和铜垫圈密封形式组装，密封性能良好，便于改装和维护；

阀门包括：VAT插板阀V7，针阀V3、V4、V5和手动阀V1、V2、V6、V8、V9、V10和V11；

加热系统100为管式加热炉2，其内部放置待测量的样品工装1，样品工装1前后安装管路。管式加热炉2采用电阻丝加热，能够按照一定速率升温及具有控温作用，其内置样品工装1位于上下游分界处，实验期间处于渗透通路状态。

样品工装1的上游供气管路上安装阀门V2、真空系统200、供气系统300，两个系统组成系统的供气端。

样品工装1的下游出气管路上安装阀门V6和信号搜集系统500。

标定系统400安装在信号搜集系统500和供气系统300之间。

并且在信号搜集系统500和供气系统300的供气出口之间管路上安装阀门V10，用于控制供气系统300向信号搜集系统500流入的气体流量。

上述的真空系统200包括两路并联管路，一个管路上沿着气体流动方向依次安装上游分子泵6和阀门V1，另一个管路上沿着气体流动方向依次安装上游干泵7和阀门V11。

上述的供气系统300包括三路并联的H₂气瓶8、D₂(氘)气瓶9、N₂气瓶10，气源出口管路分别安装阀门V3、V4和V5，并联气路的汇总管路上安装压力控制器G1，实时监测管路压力值。

上述真空系统200的并联管路和供气系统300的并联管路汇总，汇总之后的管路上安装上游真空仪G1，负责监测实验前上游管路的真空度，是衡量能否开始实验的指示表。

上游分子泵6和上游干泵7负责维持上游管路高真空度，避免在加热过程中上游管路处于低真空状态，导致样品进气侧表面被氧化或气体渗漏、污染；

阀门V3、V4、V5负责分别控制通入待渗透气体(H₂和D₂)以及抽真空时用于上游管路吹扫的惰性气体N₂；

信号搜集系统500由下游真空仪G2、阀门V7、四极质谱仪11、下游干泵5、下游分子泵4及离子泵12组成，

四极质谱仪11、阀门V7和下游分子泵4、和下游干泵5在管路上串联，并且阀门V7和下游分子泵4之间的管路上引出旁支安装离子泵12。整个串联的管路与上述样品工装1下游出气管路在阀门V6后端交汇，且在交汇处与阀门V6之间的管路上安装下游真空仪G2。

下游真空仪G2、负责实时监测下游管路真空状态，通过调节干泵5、分子泵4及离子泵12，维持下游管路真空处于良好状态，避免下游管路低真空影响测量数据的精确度甚至损坏四极质谱仪。四极质谱仪11负责对渗透H₂、D₂、H₂O等信号进行测量和记录。

上述标定系统400由沿着气体流动方向安装在管路上的阀门V9、标准漏孔3和阀门V8组成。

其中V9为上游(即供气端)阀门，该阀门安装在供气系统300的供气出口和标准漏孔3之间的管路上。

阀门V8为标定系统400气体出口通往信号搜集系统500的控制阀门，负责维持标定系统下游真空状态，以便四极质谱仪准确测量。

标定气体为D₂，标定前，由真空系统200维持标定系统400上游管路处于高真空状态，即可开始由供气系统300充入D₂进行标定。

按照上述系统实施高温气体驱动渗透测试系统的测试方法，步骤如下：

步骤1、装样及检漏测试

将管状样品采用焊接的方式安装在固定板上，形成如图2所示的样品工装1，该样品工装1包括安装固定板14以及与固定板焊接的测试管13；

样品工装1前后端加工有通气孔，分别与样品工装的上下游管路连通，上游管路的通气孔位于固定板的端部，在渗透实验时，该端口可通入渗透气体进行渗透实验(H₂和D₂)；下游管路的通气孔位于测试管管内，连同下游管路，并由四极质谱仪11检测渗透气体种类及信号强度。

对样品工装1进行检漏测试，其漏率不高于10^-11Pa·m³/s时，连入系统进行下一步。

对样品工装1进行检漏测试的具体步骤为：

样品工装1安装完成后，再打开V11、V10分别连通真空系统200的上游干泵7和下游进入信号搜集系统500的供气管路，对下游管路进行抽真空，直到上游分子泵6所能抽到的最高真空，再关闭V10、V11。

打开信号搜集系统500的下游分子泵4和离子泵12，进一步对下游管路抽真空，使得真空仪G2显示达到10^-5Pa以上，即可证明整体系统没有气漏点。

步骤2、对设备进行校准：

校准环境要求：仪器周围不得有强烈的机械干扰震动和电磁干扰，实验室温度范围为20～30℃，相对湿度0～20％。

标准漏孔3的技术指标为：温度为25℃，压强在100KPa的D₂的标准漏率通量J₀是2.0×10^-5Pa.m³/s。

校准的具体方法如下：

在校准前检查系统的各个阀门闭合状态，阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6、V11应闭合，阀门V7、V8和V9应打开及四极质谱仪11处于开机状态，直到标准漏孔3的上下游皆处于高真空状态(判断标准压强为10^-8)，此时打开V3阀门通入压强100KPa的D₂，当四极质谱仪11的读数稳定，此时记录四极质谱仪11显示的曲线稳定时的D₂的离子流强度I_D(单位：mbar)。

根据校准公式(1)，得出四极质谱仪11的准确度K。

式中J₀－－标准漏孔的出厂标准漏率通量，取2.0×10^-5Pa.m³/s；

I_D－－四极质谱仪的稳定曲线时D₂的离子流强度。

步骤3、抽真空

目标是使得样品上游真空度低于3.0×10^-4Pa，样品下游真空度低于5.0×10^-7Pa；

具体方法为：校准完毕后关闭V8、V9，利用真空系统200对样品上游抽真空：依次打开V1、上游干泵7、上游分子泵6；再依次打开下游干泵5、V6、离子泵12、下游分子泵4，再打开V6，对信号收集系统500抽真空，使得样品上游真空度低于3.0×10^-4Pa，样品下游真空度低于5.0×10^-7Pa；

步骤4、加热除气

加热炉2升温至预设温度(300-600℃)，打开四极质谱仪11，待背底离子流强度小于10^-9mbar后，向样品上游充入D₂并关闭上游真空系统，D₂压力0-70kPa；

步骤5、高温测试

调节预设温度或D₂压力，通过四极质谱仪11，待其读数稳定后读取相应的获得离子流强度I，保存数据；进行步骤7时使用。

一般温度可以间隔50-100℃取值，压力间隔20-50kPa，样本数量为5-10；

步骤6、依次关闭加热系统至室温，关闭质谱仪，关闭真空系统。

步骤7、数据分析

步骤7.1获得样品的渗透通量J

利用四极质谱仪11的K与四极质谱仪11测出的离子流强度I，获得在正式渗透期间样品在某一压强下渗透通量J(Pa.m³/s)。

J＝K*I (2)

式中，K－－校准得出的准确度，m³/s；

I－－四极质谱仪测出的原始数据离子流强度I，mbar。

步骤7.2渗透通量单位转换

将步骤7.1中的渗透通量，从单位(Pa.m³/s)转为(mol/m²/s)，转化完之后的渗透通量J如下：

式中，R－－理想气体常数8.314

T－－气体渗透温度；

S－－样品渗透面积；

步骤7.3确定渗透率Φ

式中Φ₀－－管材样品的前置因子(mol.m^-1.s^-1.Pa^-1/2)；

E_Φ－－管材样品的渗透活化能；

步骤7.4确定扩散系数D

D＝d²/15.3t_b (5)

式中t_b为穿透时间，d为管材样品的壁厚。

Claims (15)

1.一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，包括样品工装(1)、与样品工装(1)连接的上游供气管路和下游出气管路，其特征在于：所述的上游管路上设有阀门V2、真空系统(200)和供气系统(300)，所述的下游出气管路上设有阀门V6和信号搜集系统(500)，所述的标定系统(400)设于信号搜集系统(500)和供气系统(300)之间；所述的真空系统(200)和供气系统(300)的管路并联汇总，汇总管路上设有安装上游真空仪G1；所述的供气系统(300)提供三路并联的H₂、D₂、N₂气路，并且分别通过阀门V3、V4和V5控制开闭；所述的信号搜集系统(500由下游真空仪G2、阀门V7、四极质谱仪(11)、下游干泵(5)、下游分子泵(4)及离子泵(12)组成；所述的四极质谱仪(11)、阀门V7和下游分子泵(4)、和下游干泵(5)在管路上串联，并且阀门V7和下游分子泵(4)之间的管路上引出旁支管路，其上安装离子泵(12)；整个四极质谱仪(11)、阀门V7和下游分子泵(4)、和下游干泵(5)串联的管路与所述的下游出气管路在阀门V6后端交汇，且在交汇处与阀门V6之间的管路上安装下游真空仪G2。

2.如权利要求1所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的信号搜集系统(500)和供气系统(300)的供气出口之间管路上安装阀门V10，用于控制供气系统(300)向信号搜集系统(500)流入的气体流量。

3.如权利要求2所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的标定系统(400)由沿着气体流动方向安装在管路上的阀门V9、标准漏孔(3)和阀门V8组成。

4.如权利要求3所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的阀门V9为上游阀门，该阀门安装在供气系统(300)的供气出口和标准漏孔(3)之间的管路上。

5.如权利要求3所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的阀门V8为标定系统(400)气体出口通往信号搜集系统(500)的控制阀门。

6.如权利要求2所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的真空系统(200)维持标定系统(400)上游管路处于高真空状态，即可开始由供气系统(300)充入D₂进行标定。

7.如权利要求2所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的加热系统(100)包括管式加热炉(2)，其内部放置待测量的样品工装(1)，样品工装(1)前后安装管路。

8.如权利要求7所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的管式加热炉(2)采用电阻丝加热。

9.如权利要求2所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系统，其特征在于：所述的真空系统(200)包括两路并联管路，一个管路上沿着气体流动方向依次安装上游分子泵(6)和阀门V1，另一个管路上沿着气体流动方向依次安装上游干泵(7)和阀门V11。

10.一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，其特征在于，按照如下步骤：

步骤1)、装样及检漏测试

对样品工装(1)进行检漏测试，其漏率不高于10^-11Pa·m³/s时，连入系统进行下一步；

步骤2)、对设备进行校准，得出四极质谱仪(11)的准确度K

式中J₀为标准漏孔的出厂标准漏率通量；

I_D为四极质谱仪的稳定曲线时D₂的离子流强度；

步骤3、步骤3、抽真空

使得样品上游管路真空度低于3.0×10^-4Pa，样品下游管路真空度低于5.0×10^-7Pa；

步骤4)、加热除气

加热炉(2)升温至300-600℃，打开四极质谱仪(11)，待背底离子流强度小于10^-9mbar后，向样品上游管路充入D₂并关闭上游真空系统，D₂压力0-70kPa；

步骤5)、高温测试

测试不同温度下或者不同D₂压力下的离子流强度I，保存数据；

步骤6)、关闭系统至室温

步骤7)、数据分析

步骤7.1)、获得样品的渗透通量J

J＝K*I (2)

步骤7.2)、渗透通量单位转换

将步骤7.1中的渗透通量，从单位Pa.m³/s转为mol/m²/s，转化完之后的渗透通量J如下：

式中，R－－理想气体常数，取值8.314

T－－气体渗透温度；

S－－样品渗透面积；

步骤7.3)、确定渗透率Φ

式中Φ₀－－管材样品的前置因子；

E_Φ－－管材样品的渗透活化能；

步骤7.4)、确定扩散系数D

D＝d²/15.3t_b (5)

式中t_b为穿透时间，d为管状样品的壁厚。

11.如权利要求10所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，其特征在于，所述的步骤1)中的样品工装(1)包括安装固定板(14)以及与固定板焊接的测试管(13)，样品工装(1)前后端加工有通气孔，分别与样品工装的上下游管路连通，上游管路的通气孔位于固定板的端部，在渗透实验时，该端口通入渗透气体H₂和D₂进行渗透实验；下游管路的通气孔位于测试管管内，连通下游管路，并由四极质谱仪(11)检测渗透气体种类及信号强度。

12.如权利要求11所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：样品工装(1)安装完成后，再打开V11、V10分别连通真空系统(200)的上游干泵(7)和下游进入信号搜集系统(500)的供气管路，对下游管路进行抽真空，直到上游分子泵(6)所能抽到的最高真空，再关闭V10、V11；打开信号搜集系统(500)的下游分子泵(4)和离子泵(12)，进一步对下游管路抽真空，使得真空仪G2显示达到10^-5Pa以上，即可证明整体系统没有气漏点。

13.如权利要求10所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，其特征在于，所述的步骤2)中：系统所处的温度范围为20～30℃，相对湿度0～20％。

14.如权利要求10所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，其特征在于，所述的步骤2)中的标准漏孔(3)工作温度为25℃，压强在100KPa，D₂的标准漏率通量J₀是2.0×10^-5Pa.m³/s。

15.如权利要求10所述的一种金属管件的高温气体驱动渗透测试方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：在校准前检查系统的各个阀门闭合状态，阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6、V11应闭合，阀门V7、V8和V9应打开及四极质谱仪(11)处于开机状态，直到标准漏孔(3)的上下游皆处于高真空状态，此时打开阀门V3通入压强100KPa的D₂，当四极质谱仪(11)的读数稳定，此时记录四极质谱仪(11)显示的曲线稳定时的D₂的离子流强度I_D。

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