CN115165566A - 一种天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，施加载荷装置位于中间，渗氢室兼腐蚀室和测氢室分布在两侧；施加载荷装置包括压力表、螺母、垫片、上夹具、试样、下夹具、底座、恒位移加载拉伸环、工作电极柱；渗氢室兼腐蚀室包括压力表、螺栓、对电极、参比电极、进气口、上层密封盖、螺母、排气口、进液口、长螺丝、排液口、滤纸液膜、双层密封圈、下层渗氢兼腐蚀腔；测氢室包括压力表、螺栓、对电极、参比电极、上层密封盖、螺母、双层密封圈、排液口、下层测氢腔、进液口。该装置结构简单、实用性强、能够集电化学腐蚀模拟原始缺陷、高压气相渗氢模拟掺氢输送、原位液相测试氢浓度、原位施加外载荷于一体。
Description
技术领域
本发明涉及天然气管道输送系统技术领域，尤其涉及一种天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置。
背景技术
通过大规模风/光发电制氢，并将氢以一定比例掺入天然气，利用现有的天然气管道进行输送，是当前众多国家都在重点研究和推广的一种方式。然而利用现有的天然气管输系统掺氢输送还存在相当突出的材料相容性问题，天然气管道受输送压力、介质腐蚀性、掺氢比例等诸多因素的影响，在多因素耦合失效原位测试方面还存在一些不足，具体来说：
(1)现有研究对单独腐蚀和单独氢脆的研究较多，对腐蚀和氢脆耦合的研究方法目前采用以先腐蚀后氢脆的分步骤方法开展为主，这种分步骤的测试方法未能还原出腐蚀和氢脆同时发生的工作环境；
(2)由于需要将样品分步骤测试，在不同测试设备的转移和安装时间较长，导致渗入的氢逃逸，也会使渗氢浓度测试偏离真实值；
(3)由于液相的电化学渗氢技术与掺氢输送的气相渗氢渗入的原理不同，故采用液相模拟氢渗入的方法会使腐蚀测试偏离真实值。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，该装置结构简单、实用性强、能够集电化学腐蚀模拟原始缺陷、高压气相渗氢模拟掺氢输送、原位液相测试氢浓度、原位施加外载荷于一体，弥补现有研究采用单因素、分步骤测试带来的偏离工程实际和测试精度偏低的缺陷。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，所述装置包括施加载荷装置、渗氢室兼腐蚀室、测氢室，其中：
所述施加载荷装置位于中间，渗氢室兼腐蚀室和测氢室分布在两侧；
所述施加载荷装置具体包括压力表、螺母、垫片、上夹具、试样、下夹具、底座、恒位移加载拉伸环、工作电极柱，其中：
压力表与底座的上杆连接；螺母、垫片与上夹具螺纹连接；上夹具和下夹具均与恒位移加载拉伸环螺纹连接；恒位移加载拉伸环与底座螺纹连接；
所述渗氢室兼腐蚀室具体包括压力表、螺栓、对电极、参比电极、进气口、上层密封盖、螺母、排气口、进液口、长螺丝、排液口、滤纸液膜、双层密封圈、下层渗氢兼腐蚀腔，其中：
压力表与上层密封盖连接；上层密封盖与下层渗氢兼腐蚀腔螺栓连接；对电极和参比电极与上层密封盖连接，且对电极和参比电极外接恒电流仪；滤纸液膜贴附于试样上，位于下层渗氢兼腐蚀腔的小凸台处；进气口外接高压气态氢气瓶；下层渗氢兼腐蚀腔内灌入腐蚀液，腐蚀液面低于滤纸液膜，通过滤纸液膜将腐蚀液渗入试样的表面，以实现杂质引起的管线钢电化学腐蚀；
所述测氢室具体包括压力表、螺栓、对电极、参比电极、上层密封盖、螺母、双层密封圈、排液口、下层测氢腔、进液口，其中：
压力表与上层密封盖连接；上层密封盖与下层测氢腔螺栓连接；通过进液口添加电解液；对电极和参比电极与上层密封盖连接，且对电极和参比电极外接恒电位仪，以实现原位氢浓度测试。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置结构简单、实用性强、能够集电化学腐蚀模拟原始缺陷、高压气相渗氢模拟掺氢输送、原位液相测试氢浓度、原位施加外载荷于一体，弥补现有研究采用单因素、分步骤测试带来的偏离工程实际和测试精度偏低的缺陷，对于掺氢输送管线钢在复杂工况下的真实失效研究具有重大意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例所述施加载荷装置的分解示意图；
图3为本发明实施例所述渗氢室兼腐蚀室的分解示意图；
图4为本发明实施例所述测氢室的分解示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示为本发明实施例提供的天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置的整体结构示意图，所述装置包括施加载荷装置1、渗氢室兼腐蚀室2、测氢室3，其中：
所述施加载荷装置1位于中间，渗氢室兼腐蚀室2和测氢室3分布在两侧；
如图2所示为本发明实施例所述施加载荷装置的分解示意图，所述施加载荷装置1具体包括压力表1-1、螺母1-2、垫片1-3、上夹具1-4、试样1-5、下夹具1-6、底座1-7、恒位移加载拉伸环1-8、工作电极柱1-9，其中：
压力表1-1与底座1-7的上杆连接；螺母1-2、垫片1-3与上夹具1-4螺纹连接；上夹具1-4和下夹具1-6均与恒位移加载拉伸环1-8螺纹连接；恒位移加载拉伸环1-8与底座1-7螺纹连接。
如图3所示为本发明实施例所述渗氢室兼腐蚀室的分解示意图，所述渗氢室兼腐蚀室2具体包括压力表2-1、螺栓2-2、对电极2-3、参比电极2-14、进气口2-4、上层密封盖2-5、螺母2-6、排气口2-7、进液口2-8、长螺丝2-9、排液口2-10、滤纸液膜2-11、双层密封圈2-12、下层渗氢兼腐蚀腔2-13，其中：
压力表2-1与上层密封盖2-5连接；上层密封盖2-5与下层渗氢兼腐蚀腔2-13螺栓连接；对电极2-3和参比电极2-14与上层密封盖2-5连接，且对电极2-3和参比电极2-14外接恒电流仪；滤纸液膜2-11贴附于试样1-5上，位于下层渗氢兼腐蚀腔2-13的小凸台处；进气口2-4外接高压气态氢气瓶；下层渗氢兼腐蚀腔2-13内灌入腐蚀液，腐蚀液面低于滤纸液膜2-11，通过滤纸液膜2-11将腐蚀液渗入试样1-5的表面，以实现杂质引起的管线钢电化学腐蚀；滤纸液膜2-11不影响高压气相渗氢过程。
如图4所示为本发明实施例所述测氢室的分解示意图，所述测氢室3具体包括压力表3-1、螺栓3-2、对电极3-3、参比电极3-9、上层密封盖3-4、螺母3-5、双层密封圈3-6、排液口3-7、下层测氢腔3-8、进液口3-10，其中：
压力表3-1与上层密封盖3-4连接；上层密封盖3-4与下层测氢腔3-8螺栓连接；通过进液口3-10添加电解液；对电极3-3和参比电极3-9与上层密封盖3-4连接，且对电极3-3和参比电极3-9外接恒电位仪，以实现原位氢浓度测试。
具体实现中，所述渗氢室兼腐蚀室2与测氢室3通过长螺丝2-9连接，将试样1-5夹在中间，用双层密封圈(2-12和3-6)密封，进行高压气相渗氢、电化学腐蚀、原位液相氢浓度测试；
所述施加载荷装置1将试样1-5夹在上夹具1-4和下夹具1-6中，通过拧动上夹具的螺母1-2，用恒位移加载拉伸环1-8进行原位施加外载荷，模拟高压输气对材料产生的预应力，测试试样1-5的力学性能。
具体来说，在测试试样1-5的力学性能时，首先将试样1-5安装在所述施加载荷装置1上，用上夹具1-4和下夹具1-6夹紧，然后通过螺母1-2对试样1-5施加不同载荷的预应力来模拟不同输送压力，测试材料腐蚀、氢脆、外载荷共同作用下的试样1-5服役性能参数；
在进行高压气相渗氢、电化学腐蚀、原位液相氢浓度测试时，将试样1-5夹紧在所述渗氢室兼腐蚀室2和测氢室3中间的小凸台处，用双层密封圈(2-12和3-6)密封，在渗氢室兼腐蚀室2的进气口2-4处充入不同压力、不同掺氢比例的天然气和氢气的混合气体，用于模拟不同掺氢比例下的管输环境；
在进液口2-8处添加不同比例的H2S和CO2杂质的腐蚀液，利用恒电流仪在渗氢室兼腐蚀室2中进行动电位极化和电化学阻抗测试；
在试样1-5的表面覆盖专用的滤纸液膜2-11(具有低电阻率和高透气性)，利用纸质疏松透气造成的毛细作用，将腐蚀液带入到试样1-5表面，模拟电极表面均匀可控的微米级厚度液膜，从而模拟输气管内H2S/CO2杂质腐蚀与高压H2耦合的环境；
在测氢室3的进液口3-10处加入电解液，利用恒电位仪在测氢室3施加恒电位对其电离，得到电离电流随时间变化曲线，采用Fourier法获得氢在材料中的扩散系数、溶解度、氢浓度参数，实现原位液相氢浓度测试。
上述原位施加外载荷、高压气相渗氢、电化学腐蚀、原位液相氢浓度测试是同时进行的，实现“四位一体”的原位测试。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述装置能够完整的模拟利用现有天然气管道进行天然气掺氢输送中的多因素耦合复杂环境，通过施加载荷装置进行原位恒位移加载，渗氢室兼腐蚀室对样品进行高压气相渗氢，滤纸液膜贴附在试样上模拟杂质对样品的腐蚀环境，测氢腔对样品进行高压液相氢浓度测试，实现“四位一体”的原位测试，解决腐蚀与氢脆耦合失效环境难以模拟、耦合下电化学腐蚀和氢浓度测试精度低的难题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，其特征在于，所述装置包括施加载荷装置、渗氢室兼腐蚀室、测氢室，其中：
所述施加载荷装置位于中间，渗氢室兼腐蚀室和测氢室分布在两侧；
所述施加载荷装置具体包括压力表、螺母、垫片、上夹具、试样、下夹具、底座、恒位移加载拉伸环、工作电极柱，其中：
压力表与底座的上杆连接；螺母、垫片与上夹具螺纹连接；上夹具和下夹具均与恒位移加载拉伸环螺纹连接；恒位移加载拉伸环与底座螺纹连接；
所述渗氢室兼腐蚀室具体包括压力表、螺栓、对电极、参比电极、进气口、上层密封盖、螺母、排气口、进液口、长螺丝、排液口、滤纸液膜、双层密封圈、下层渗氢兼腐蚀腔，其中：
压力表与上层密封盖连接；上层密封盖与下层渗氢兼腐蚀腔螺栓连接；对电极和参比电极与上层密封盖连接，且对电极和参比电极外接恒电流仪；滤纸液膜贴附于试样上，位于下层渗氢兼腐蚀腔的小凸台处；进气口外接高压气态氢气瓶；下层渗氢兼腐蚀腔内灌入腐蚀液，腐蚀液面低于滤纸液膜，通过滤纸液膜将腐蚀液渗入试样的表面，以实现杂质引起的管线钢电化学腐蚀；
所述测氢室具体包括压力表、螺栓、对电极、参比电极、上层密封盖、螺母、双层密封圈、排液口、下层测氢腔、进液口，其中：
压力表与上层密封盖连接；上层密封盖与下层测氢腔螺栓连接；通过进液口添加电解液；对电极和参比电极与上层密封盖连接，且对电极和参比电极外接恒电位仪，以实现原位氢浓度测试。
2.根据权利要求1所述天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，其特征在于，
所述渗氢室兼腐蚀室与测氢室通过长螺丝连接，将试样夹在中间，用双层密封圈密封，进行高压气相渗氢、电化学腐蚀、原位液相氢浓度测试；
所述施加载荷装置将试样夹在上夹具和下夹具中，通过拧动上夹具的螺母，用恒位移加载拉伸环进行原位施加外载荷，模拟高压输气对材料产生的预应力，测试试样的力学性能。
3.根据权利要求2所述天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，其特征在于，
在测试试样的力学性能时，首先将试样安装在所述施加载荷装置上，用上夹具和下夹具夹紧，然后通过螺母对试样施加不同载荷的预应力来模拟不同输送压力，测试材料腐蚀、氢脆、外载荷共同作用下的试样服役性能参数；
在进行高压气相渗氢、电化学腐蚀、原位液相氢浓度测试时，将试样夹紧在所述渗氢室兼腐蚀室和测氢室中间的小凸台处，用双层密封圈密封，在渗氢室兼腐蚀室的进气口处充入不同压力、不同掺氢比例的天然气和氢气的混合气体，用于模拟不同掺氢比例下的管输环境；
在进液口处添加不同比例的H2S和CO2杂质的腐蚀液，利用恒电流仪在渗氢室兼腐蚀室中进行动电位极化和电化学阻抗测试；
在试样的表面覆盖专用的滤纸液膜，利用纸质疏松透气造成的毛细作用，将腐蚀液带入到试样表面，模拟电极表面均匀可控的微米级厚度液膜，从而模拟输气管内H2S/CO2杂质腐蚀与高压H2耦合的环境；
在测氢室的进液口处加入电解液，利用恒电位仪在测氢室施加恒电位对其电离，得到电离电流随时间变化曲线，采用Fourier法获得氢在材料中的扩散系数、溶解度、氢浓度参数，实现原位液相氢浓度测试。
4.根据权利要求2所述天然气掺氢输送管线钢多因素耦合失效下的原位测试装置，其特征在于，
所述原位施加外载荷、高压气相渗氢、电化学腐蚀、原位液相氢浓度测试是同时进行的。
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| KR20120061102A (ko) * | 2010-10-22 | 2012-06-13 | 주식회사 포스코 | 강판 수소 투과 시험 장치 |
| CN105300874A (zh) * | 2015-09-11 | 2016-02-03 | 中国民航大学 | 慢应变速率条件下的应力腐蚀和测氢电化学原位测量装置 |
| CN113341060A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-03 | 中国石油大学(华东) | 一种中低压含氢管道实验系统及方法 |
| CN214790548U (zh) * | 2021-06-08 | 2021-11-19 | 西南石油大学 | 一种掺氢天然气管道泄漏监测装置 |
-
2022
- 2022-07-06 CN CN202210789502.1A patent/CN115165566B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120061102A (ko) * | 2010-10-22 | 2012-06-13 | 주식회사 포스코 | 강판 수소 투과 시험 장치 |
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|---|
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| 张烘玮，赵杰，李敬法，宇波，王嘉龙，吕冉，奚茜: "天然气掺氢输送环境下的腐蚀与氢脆研究进展", 天然气工业, vol. 43, no. 06, 25 June 2023 (2023-06-25) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115165566B (zh) | 2024-05-17 |
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