CN115541452A - 气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及实验方法 - Google Patents

气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实验装置及方法，特别是涉及一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及实验方法，具体氢气气源、载气气源、气体舱室、试样夹持装置、气相色谱仪及数据处理器，所述气体舱室为封闭腔体，所述试样夹持装置为多孔板，所述试样夹持装置用于夹持非金属管材试样，所述试样夹持装置设置于所述气体舱室内壁，所述试样夹持装置将所述气体舱室分隔为两部分，两部分分别为高压室段、低压室段，所述高压室段与所述氢气气源相连接，所述低压室段与所述载气气源相连接，所述低压室段通过接口与所述气相色谱仪相连接。本发明气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置能够直接对非金属管材试样施加气相氢压进行氢渗透测试。

Description

气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及一种实验装置及方法，特别是涉及一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及方法。
背景技术
管道输氢大规模应用，城市燃气管网逐渐开始步入掺氢输送阶段。近年来国内外学者在不同的临氢环境下，通过测试氢的扩散行为，对管线钢的氢损伤规律开展了大量的研究工作。氢渗透实验可以通过模拟管道输氢的工况，构建特殊环境对材料进行实验，以实验结果分析预测实际工况下材料的氢致敏感性，研究其氢渗透机理。
传统的氢渗透实验主要是采用Devanathan-Stachurski双电解池装置进行的，为液相环境测试，测试研究对象为金属管材。目前缺乏非金属管材氢渗透的相关研究，且城市管网非金属管材的氢渗透实验装置研发尚处空白， PE等非金属管材的氢渗透模拟、测试、评价相关规范也几乎空白。对于气相氢环境下非金属管材的高温高压氢渗透实验设备研究不足、实验测试方法、标准空白，难以满足行业需求。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种可直接对非金属管材试样施加气相氢压进行氢渗透测试的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及实验方法。
为解决上述问题，本发明提供一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，包括氢气气源、载气气源、气体舱室、试样夹持装置、气相色谱仪及数据处理器，所述气体舱室为封闭腔体，所述试样夹持装置为多孔板，所述试样夹持装置用于夹持非金属管材试样，所述试样夹持装置设置于所述气体舱室内壁，所述试样夹持装置将所述气体舱室分隔为两部分，两部分分别为高压室段、低压室段，所述高压室段与所述氢气气源相连接，所述低压室段与所述载气气源相连接，所述低压室段与所述气相色谱仪相连接，所述气相色谱仪与所述数据处理器相连接。
进一步地，所述高压室段通过氢气管路与所述氢气气源相连接，所述氢气管路上设置有进气阀。
进一步地，所述高压室段上还设置有开关阀、压力传感器、压力变送器及安全阀。
采用上述气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置的实验方法，包括下述步骤：
将非金属管材试样安装好，将高压室段、低压室段抽真空；
向所述低压室段内通入微正压载气，向所述高压室段内通入测试气体并达到预订压力；
使所述高压室段内保持在预定压力持续至预定持续渗透时间后，将所述低压室段内渗透过所述非金属管材试样的氢气与载气一同引入气相色谱仪中，读取并记录测试气体体积(V1)，得出测试气体中氢气的体积分数，δ＝VH2/ V1
根据测试气体中氢气的体积分数计算氢气的气体传输速率GTR，以此获得氢渗透数据：
Figure BDA0003868546180000021
式中：GTR是气体传输速率，用[mol/(m2·h·MPa)]表示；
δ——气相色谱测的的氢气体积分数，ppm；
t——测试时间，用h表示；
V1——引入气相色谱仪的气体总体积，用mL表示；
ρ——氢气的密度，0.089g/L；
M——氢气的气体摩尔质量，2g/mol；
Ph——高压室段的压力(或高压室段和低压室段的压差)，用MPa表示；
A——非金属管材试样有效传输气体的面积，用m2表示；
k——将取样容积转换为低压室总容积的换算系数，即k＝V低压舱室/V1。
本发明一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，由于包括氢气气源、载气气源、气体舱室、试样夹持装置、气相色谱仪及数据处理器，气体舱室为密闭腔体，试样夹持装置用于夹持非金属管材试样，因此能够直接对试样施加气相氢压进行高压下的氢渗透模拟测试，密封性能好、工艺简单、产品成本低，易于实现工业化大批量生产。
附图说明
图1为本发明气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置的结构示意图；
图2为本发明气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置的剖视图；
图3为本发明气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置的原理图；
图4为本发明气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置中试样夹持装置的结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明的实施例中出现的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
本发明一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，如图1、图2、图3、图4所示，包括氢气气源31、载气气源32、气体舱室20、试样夹持装置14、气相色谱仪33及数据处理器34，气体舱室20为封闭腔体，试样夹持装置14为多孔板，试样夹持装置14用于夹持非金属管材试样13，试样夹持装置14设置于气体舱室20内壁，试样夹持装置14将气体舱室20分隔为两部分，两部分分别为高压室段16、低压室段17，高压室段16与氢气气源31 相连接，低压室段17与载气气源32相连接，低压室段17还与气相色谱仪33 相连接，气相色谱仪33连接数据处理器34，本实施例中，载气气源32为纯度大于99.999％(体积)的氮气，用于保证低压舱室17处于微正压状态，确保低压舱室17内的气体能够传输至气相色谱仪33中进行测试，氢气气源31 内可以是纯氢气，还可以是含其他组分的氢气，氢气气源31将氢气输送至高压室段16，载气气源32将载气输送至低压室段17，氢分子穿过非金属管材试样13渗透至低压室段17，和低压室段17内的载气气体一同进入气相色谱仪33经气相色谱仪33将数据传输至数据处理器34，通过数据处理器34获得非金属管材试样13的氢渗透数据。本发明一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，由于包括氢气气源31、载气气源32、气体舱室20、试样夹持装置14、气相色谱仪33及数据处理器34，气体舱室20为密闭腔体，试样夹持装置14用于夹持非金属管材试样13，因此能够直接对试样施加气相氢压进行高压下的氢渗透模拟测试，密封性能好、工艺简单、产品成本低，易于实现工业化大批量生产，本发明一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，还可以在含杂质的气体环境下进行气相氢渗透试验。
可选地，高压室段16通过氢气管路与氢气气源31相连接，氢气管路上设置有进气阀1。，
可选地，高压室段16上还设置有排气阀8、压力传感器、压力变送器10、安全阀9，设置压力传感器以记录高压室段的压力和压差，通过压力变送器 10向高压室段16内输送压力恒定的氢气，通过安全阀9防止高压室段16内压力过高。
可选地，低压室段17通过载气管路18与载气气源32相连接，载气管路 18上设置有开关阀37。
可选地，氢气管路上设置有测试气体控制器61，载气管路18上设置有载气气体控制器101，测试气体控制器61、载气气体控制器101用于调节压力，使高压室段16内、低压室段17内保持在指定压力。
可选地，低压室段17通过渗透气体管路19连接气相色谱仪33，渗透气体管路上设置有开关阀38。
可选地，高压室段16、低压室段17均连接有抽真空装置。具体地，抽真空泵35通过高压抽真空管路及低压抽真空管路连接高压室段16及低压室段 17，高压抽真空管路、低压抽真空管路上分别设置有高压真空阀36、低压真空阀39，打开高压真空阀36、低压真空阀39对高压室段16、低压室段17抽真空。
可选地，还包括密封垫12、多个螺栓23，密封垫12为环状弹性体，气体舱室20包括釜体21、釜盖22，釜盖22上设置有手柄7，釜体21内壁设置有环状凸台，试样夹持装置14设置于环状凸台上，密封垫12设置于釜盖22 与试样夹持装置14之间，密封垫12的外侧壁抵靠釜体21的内壁，试样夹持装置14底部与环状凸台之间用于夹持非金属管材试样13，多个螺栓23连接于釜盖22与釜体21之间，本实施例中，采用6个M8压紧螺栓。非金属管材试样13设置于试样夹持装置14底部与环状凸台之间，旋紧各螺栓23使釜盖 22与釜体21紧密连接并形成密闭空间。气体舱室20包括釜体21、釜盖22，釜体21与釜盖22通过多个螺栓23连接，便于取放非金属管材试样13。
可选地，釜盖22底面上开设有环状凹槽，密封垫12顶部置于环状凹槽内，密封垫12的厚度大于试样夹持装置14上表面至环状凹槽底面的高度。旋紧各螺栓23时，釜盖22压紧密封垫12，进一步提高釜盖22、釜体21的密封性能。
可选地，还包括密封圈11，密封圈11设置于非金属管材试样13与环状凸台之间，使高压室段16、低压室段17均形成绝对密闭空间。
可选地，釜体21底部还设置有水浴加热座6及加热支撑4，通过水浴加热座6加热釜体21，使得试验环境可以保持在不同温度下，做不同温度下的氢渗透测试试验。
具体地，如图4所示，试样夹持装置14采用多孔的316L不锈钢板，使非金属管材试样13在两侧压差下不发生变形。
采用本发明一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置进行实验的实验方法，包括下述过程：
非金属管材试样13取自完整非金属管样品的管壁中，平行于中管道轴向，无可见缺陷。
将气体舱室20内清洗干净，将非金属管材试样13以圆片形式安装好，通过非金属管材试样13在高压室段16、低压室段17之间形成密封隔断。先将高压室段16、低压室段17抽真空，
再向低压室段17通入微正压载气，向高压室段16通入测试气体氢气并达到预订压力，使高压室段16保持在所需的恒定压力范围内，压力波动应小于±5kPa，持续至预定持续渗透的时间后，将低压室段17内渗透过非金属管材试样13的氢气与载气一同引入气相色谱仪33中，测试过程中应保持连接管无环境污染和杂质气体混入，读取并记录测试气体体积(V1)，
待测试气体进入气相色谱仪后，得出测试气体中氢气的体积分数，δ＝ VH2/V1
根据测试气体氢气的体积分数计算氢气的气体传输速率GTR，以此获得氢渗透数据：
Figure BDA0003868546180000061
式中：GTR是气体传输速率，用[mol/(m2·h·MPa)]表示；
δ——气相色谱测的的氢气体积分数，ppm；
t——测试时间，用h表示；
V1——引入气相色谱仪的气体总体积，用mL表示；
ρ——氢气的密度，0.089g/L；
M——氢气的气体摩尔质量，2g/mol；
Ph——高压室段的压力(或高压室段和低压室段的压差)，用MPa表示；
A——非金属管材试样有效传输气体的面积，用m2表示；
k——将取样容积转换为低压室总容积的换算系数，即k＝V低压舱室/V1。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，
包括氢气气源(31)、载气气源(32)、气体舱室(20)、试样夹持装置(14)、气相色谱仪(33)及数据处理器(34)，所述气体舱室(20)为封闭腔体，所述试样夹持装置(14)为多孔板，所述试样夹持装置(14)用于夹持非金属管材试样(13)，所述试样夹持装置(14)设置于所述气体舱室(20)内壁，所述试样夹持装置(14)将所述气体舱室(20)分隔为两部分，两部分分别为高压室段(16)、低压室段(17)，所述高压室段(16)与所述氢气气源(31)相连接，所述低压室段(17)与所述载气气源(32)相连接，所述低压室段(17)与所述气相色谱仪(33)相连接，所述气相色谱仪(33)与所述数据处理器(34)相连接。
2.根据权利要求1所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，所述高压室段(16)通过氢气管路与所述氢气气源(31)相连接，所述氢气管路上设置有进气阀(1)。
3.根据权利要求2所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，所述高压室段(16)上还设置有开关阀(8)、压力传感器、压力变送器(10)及安全阀(9)。
4.根据权利要求3所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，所述低压室段(17)通过载气管路(18)与所述载气气源(32)相连接，所述载气管路(18)上设置有开关阀(37)。
5.根据权利要求4所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，还包括密封垫(12)、多个螺栓(23)，所述密封垫(12)为环状弹性体，所述气体舱室(20)包括釜体(21)、釜盖(22)，所述釜体(21)内壁设置有环状凸台，所述试样夹持装置(14)设置于所述环状凸台上，所述密封垫(12)设置于所述釜盖(22)与所述试样夹持装置(14)之间，所述密封垫(12)的外侧壁抵靠所述釜体(21)的内壁，所述试样夹持装置(14)底部与所述环状凸台之间用于夹持所述非金属管材试样(13)，所述多个螺栓(23)连接于所述釜盖(22)与所述釜体(21)之间。
6.根据权利要求5所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，所述釜盖(22)底面上开设有环状凹槽，所述密封垫(12)顶部置于所述环状凹槽内，所述密封垫(12)的厚度大于所述试样夹持装置(14)上表面至所述环状凹槽底面的高度。
7.根据权利要求6所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，还包括密封圈(11)，所述密封圈(11)设置于所述非金属管材试样(13)与所述环状凸台之间。
8.根据权利要求7所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，所述低压室段(17)通过渗透气体管路(19)连接所述气相色谱仪(33)，所述渗透气体管路上设置有开关阀(38)，所述高压室段(16)、所述低压室段(17)均连接有抽真空装置。
9.根据权利要求8所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置，其特征在于，所述氢气管路上设置有测试气体控制器(61)，所述载气管路(18)上设置有载气气体控制器(101)。
10.采用上述权利要求1-9任一所述的气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置的实验方法，其特征在于，包括下述步骤：
将非金属管材试样(13)安装好，将高压室段(16)、低压室段(17)抽真空；
向所述低压室段(17)内通入微正压载气，向所述高压室段(16)内通入测试气体并达到预订压力；
使所述高压室段(16)内保持在预定压力持续至预定持续渗透时间后，将所述低压室段(17)内渗透过所述非金属管材试样(13)的氢气与载气一同引入气相色谱仪(33)中，读取并记录测试气体体积(V1)，得出测试气体中氢气的体积分数，δ＝VH2/V1
根据测试气体中氢气的体积分数计算氢气的气体传输速率GTR，以此获得氢渗透数据：
Figure FDA0003868546170000031
式中：GTR是气体传输速率，用[mol/(m2·h·MPa)]表示；
δ——气相色谱测的的氢气体积分数，ppm；
t——测试时间，用h表示；
V1——引入气相色谱仪的气体总体积，用mL表示；
ρ——氢气的密度，0.089g/L；
M——氢气的气体摩尔质量，2g/mol；
Ph——高压室段的压力(或高压室段和低压室段的压差)，用MPa表示；
A——非金属管材试样有效传输气体的面积，用m2表示；
k——将取样容积转换为低压室总容积的换算系数，即k＝V低压舱室/V1。
CN202211189302.9A 2022-09-19 2022-09-28 气相氢环境下非金属管材的氢渗透实验装置及实验方法 Active CN115541452B (zh)

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