CN218297947U - 一种模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及研究金属氢渗透行为的领域，具体为一种模拟临氢管材‑掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置。该装置以双电解池为核心部分，由阳极池与阴极池两个部分组成，阳极池与阴极池沿水平方向左右相对设置，阳极池的右侧开口与阴极池的左侧开口相对应，阴极池的右侧与气体缓冲釜出气口通过气体导管连接，氢气通过氢气瓶与氢气缓冲罐进入气体缓冲釜内，通过气体缓冲釜向阴极池输送高压氢气，称为输气系统。本实用新型可通过电化学的方法直接测量出氢气(掺氢气体)在不同压力、掺氢比等条件下的氢渗透量，直观反映出掺氢比、压力等和氢渗透量之间的定量关系，获得材料在不同掺氢比和压力等条件下的扩散系数。

Description

一种模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学 测试装置

技术领域

本实用新型涉及研究金属氢渗透行为的领域，具体为一种模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置。

背景技术

氢气输送是氢能利用的重要环节。按照氢在输送时所处状态的不同，可以分为气氢输送、液氢输送和固氢输送。其中气氢和液氢输送目前正在大规模使用。输送装置可以是管网或高压容器。为了提高输送能力，一般需要将氢气加压，液氢同样对装置产生一定压力。

氢气传输管道或者氢气存储装置在服役时，会受到一定的压力，氢原子进入材料结构内部后会引发氢脆特征的氢致开裂行为，严重影响材料的结构安全。在一定程度上，氢致开裂行为的敏感性与氢气的压力有关。

新管道建设的高昂投资成本构成了扩展氢气管道输送基础设施的主要障碍。利用现有管道输氢或者掺氢输送的安全性、控制氢渗透和泄漏的需求等现实要求都需要对输氢装置进行可靠性、经济性评价。因此，有必要研究金属在气态氢气下氢的渗透行为，并以此作为选材和对材料评判的依据。

目前金属的氢渗透测试方法有多种，电化学测定金属氢扩散行为尚无标准装置，为了满足生产科研的需要，氢气渗透测试的装置大多自行设计搭建，这既存在安全隐患又存在测试稳定性差、测试操作繁琐等诸多影响工作的问题，给生产科研带来了阻力。因此，有必要设计一种简单、精确、安全性高、测试稳定、便于操作的测试装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，解决现有技术中氢气渗透测试装置既存在安全隐患又存在测试稳定性差、测试操作繁琐等诸多影响工作的问题。

本实用新型的技术方案是：

一种模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，该装置以双电解池为核心部分，由阳极池与阴极池两个部分组成，阳极池与阴极池沿水平方向左右相对设置，阳极池的右侧开口与阴极池的左侧开口相对应，阴极池的右侧与气体缓冲釜出气口通过气体导管连接，氢气通过氢气瓶与氢气缓冲罐进入气体缓冲釜内，通过气体缓冲釜向阴极池输送高压氢气，称为输气系统；其中：

阴极池的左侧开口处设有样品槽，试样沿竖向安装于样品槽；阴极池的左侧开口端外侧设有左法兰，左法兰中心孔内壁设有与阴极池左侧端面相对应的竖向凸台，竖向凸台、左法兰中心孔内壁、阴极池左侧端面之间形成样品槽，阴极池左侧端面与试样的一侧之间通过第一O型密封圈进行密封；阳极池的右侧开口端设有与左法兰相对应的右法兰，右法兰中心孔位于阳极池的右侧开口以内，右法兰的右侧端面中心处设有水平凸台，水平凸台的外端与试样的另一侧相对应并接触，阳极池的右法兰外端与试样的另一侧通过第二O型密封圈密封连接；阳极池与阴极池利用连接螺栓通过带孔的左法兰、右法兰连接固定，连接螺栓拧紧过程中，将试样夹紧。

所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，阳极池上的参比电极、辅助电极以及试样连接电化学工作站，进行氢渗透曲线的测量；同时，阳极池开设有氮气进口和氮气出口，氮气进口下端接近阳极池底部，氮气出口位于阳极池上平面，氮气瓶通过氮气导管连接氮气进口，向阳极池输送氮气并通过氮气出口排出，氮气瓶上设有氮气稳压阀、氮气瓶开关；同时，阳极池顶部开设有进液口，阳极池底部开设有出液口，方便电解液的导入与导出。

所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，阳极池内装有0.2mol/L的NaOH溶液作为电解液，试样、参比电极、辅助电极浸在电解液中。

所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，氢气瓶上安装气瓶开关、氢气稳压阀，氢气瓶的氢气出口通过气体导管与氢气缓冲罐的氢气入口相连通，氢气瓶内氢气压力高于所需测试的最高氢气压力，并且通过调整氢气稳压阀来调整通往缓冲罐的气体流速大小；氢气缓冲罐上安装氢气电磁阀，氢气电磁阀的控制端与信号采集处理系统的总控制电脑相连接，氢气电磁阀外侧的氢气出口通过气体导管与气体缓冲釜进气口连接，气体缓冲釜上方安装有气体缓冲釜进气口，气体缓冲釜侧面安装有气体缓冲釜出气口。

所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，信号采集处理系统的控制柜上设有紧急开关、指示灯、环境湿度显示器、环境温度显示器、压力显示器、连接电化学工作站的电脑和总控制电脑，紧急开关、指示灯、环境湿度显示器、环境温度显示器、压力显示器分别通过线路与总控制电脑连接，氢气缓冲罐上的氢气电磁阀、防爆房内的氢气探测器与总控制电脑相连接。

所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，该装置设置于防爆房内，防爆房由防爆玻璃搭建，防爆房的顶部通过气体管道与大气连通，气体管道的出口处设置换气扇，换气扇不断向大气排出气体。

所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，阴极池选用优质不锈钢材质，以承受气体高压以及长期的氢气损伤。

本实用新型的设计思想是：

本实用新型设计一种能够模拟实际纯氢或掺氢燃气输送过程中的氢渗透测试技术，研究氢分压、掺氢比、杂质气体等对氢渗透的影响规律和影响机理，并获得氢渗透动力学与材料微观组织结构的关系，从而为我国管线输氢的设计及安全管理提供基础数据和指导。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点及有益效果：

1、本实用新型可以测量高压氢气(掺氢气体)中金属材料氢渗透电流的变化，提供一种进行高压氢渗透的研究方法，而且本装置搭建方便，操作简单，具有安全保护措施。

2、本实用新型可通过电化学的方法直接测量出氢气(掺氢气体)在不同压力、掺氢比等条件下的氢渗透量，直观反映出掺氢比、压力等和氢渗透量之间的定量关系，获得材料在不同掺氢比和压力等条件下的扩散系数；本实用新型装置使用和维护成本低，安全性高，操作简便，测定结果准确且稳定。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

图2为本实用新型双电解池的一种结构示意图。

图1和图2中，1、氢气瓶，2、氢气瓶开关，3、氢气稳压阀，4、氢气缓冲罐， 5、氢气电磁阀，6、气体缓冲釜，7、双电解池，7a、阴极池，7b、阳极池，8、试样， 9、参比电极，10、辅助电极，11、氮气进口，12、氮气出口，13、电化学工作站，14、氮气瓶，15、连接电化学工作站的电脑，16、环境湿度显示器，17、环境温度显示器， 18、总控制电脑，19、压力显示器，20、氢气探测器，21、防爆房，22、气体管道， 23、换气扇，24、第一O型密封圈，25、第二O型密封圈，26、出液口，27、气体导管，28、气体缓冲釜进气口，29、气体缓冲釜出气口，30、左法兰，31、连接螺栓， 32、右法兰，33、进液口，34、氮气稳压阀，35、氮气瓶开关，36、氮气导管，37、紧急开关，38、指示灯，39、样品槽，40、竖向凸台，41、水平凸台，42、控制柜。

具体实施方式

下面，结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本实用新型模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，主要包括设置于防爆房21内的氢气瓶1、氢气瓶开关2、氢气稳压阀 3、氢气缓冲罐4、氢气电磁阀5、气体缓冲釜6、双电解池7(阴极池7a、阳极池7b)、试样8、参比电极9、辅助电极10、氮气进口11、氮气出口12、电化学工作站13、氮气瓶14、连接电化学工作站的电脑15、环境湿度显示器16、环境温度显示器17、总控制电脑18、压力显示器19、氢气探测器20、第一O型密封圈24、第二O型密封圈 25、出液口26、气体导管27、气体缓冲釜进气口28、气体缓冲釜出气口29、左法兰 30、连接螺栓31、右法兰32、进液口33、氮气稳压阀34、氮气瓶开关35、氮气导管 36、紧急开关37、指示灯38，具体结构如下：

氢气瓶1上安装气瓶开关2、氢气稳压阀3，氢气瓶1的氢气出口通过气体导管 27与氢气缓冲罐4的氢气入口相连通，氢气瓶1内氢气压力高于所需测试的最高氢气压力，并且通过调整氢气稳压阀3来调整通往缓冲罐4的气体流速大小。氢气缓冲罐 4上安装氢气电磁阀5，氢气电磁阀5的控制端与信号采集处理系统的总控制电脑18 相连接，氢气电磁阀5外侧的氢气出口通过气体导管27与气体缓冲釜进气口28连接，气体缓冲釜6上方安装有气体缓冲釜进气口28，气体缓冲釜6侧面安装有气体缓冲釜出气口29。

双电解池7为核心部分，由阳极池7b与阴极池7a两个部分组成，阳极池7b与阴极池7a沿水平方向左右相对设置，阳极池7b的右侧开口与阴极池7a的左侧开口相对应，阴极池7a的右侧与气体缓冲釜出气口29通过气体导管27连接，氢气通过氢气瓶 1与氢气缓冲罐4进入气体缓冲釜6内，通过气体缓冲釜6向阴极池7a输送高压氢气，称为输气系统。阴极池7a选用优质不锈钢材质，以承受气体高压以及长期的氢气损伤。其中：

阴极池7a的左侧开口处设有样品槽39，试样8沿竖向安装于样品槽39。阴极池 7a的左侧开口端外侧设有(如：焊接)左法兰30，左法兰30中心孔内壁设有与阴极池7a左侧端面相对应的竖向凸台40，竖向凸台40、左法兰30中心孔内壁、阴极池 7a左侧端面之间形成样品槽39，阴极池7a左侧端面与试样8的一侧之间通过第一O 型密封圈24进行密封。阳极池7b的右侧开口端设有与左法兰30相对应的右法兰32，右法兰32中心孔位于阳极池7b的右侧开口以内，右法兰32的右侧端面中心处设有水平凸台41，水平凸台41的外端与试样8的另一侧相对应并接触，阳极池7b的右法兰 32外端与试样8的另一侧通过第二O型密封圈25密封连接。阳极池7b与阴极池7a 利用连接螺栓31通过带孔的左法兰30、右法兰32连接固定，连接螺栓31拧紧过程中，将试样8夹紧。

阳极池7b上的参比电极9、辅助电极10以及试样8连接电化学工作站13，进行氢渗透曲线的测量。同时，阳极池7b开设有氮气进口11和氮气出口12，氮气进口11 下端接近阳极池7b底部，氮气出口12位于阳极池7b上平面，氮气瓶14通过氮气导管36连接氮气进口11，向阳极池7b输送氮气并通过氮气出口12排出，氮气瓶14上设有氮气稳压阀34、氮气瓶开关35。同时，阳极池7b顶部开设有进液口33，阳极池 7b底部开设有出液口26，方便电解液的导入与导出。阳极池7b内装有0.2mol/L的 NaOH溶液作为电解液，试样8、参比电极9、辅助电极10浸在电解液中。

信号采集处理系统的控制柜42上设有紧急开关37、指示灯38、环境湿度显示器16、环境温度显示器17、压力显示器19、连接电化学工作站的电脑15和总控制电脑 18，紧急开关37、指示灯38、环境湿度显示器16、环境温度显示器17、压力显示器 19分别通过线路与总控制电脑18连接，氢气缓冲罐4上的氢气电磁阀5、防爆房21 内的氢气探测器20与总控制电脑18相连接。

防爆房21由防爆玻璃搭建，防爆房21的顶部通过气体管道22与大气连通，气体管道22的出口处设置换气扇23，换气扇23不断向大气排出气体。

如图1-图2所示，采用本实用新型装置测量高压气相氢渗透动力学参数，需要对试样进行预处理和单面镀镍，然后进行动力学参数测定。

预处理过程如下：对试样8进行打磨抛光等预处理，打磨过程中保持试样厚度均匀，然后对试样进行单面镀镍，防止试样外表面在阳极恒电位极化下腐蚀，以保证得到有效的氢渗透数据。

在测试开始前，打开氮气瓶14上的氮气稳压阀34和氮气瓶开关35，使氮气在氮气瓶14与电解液间的压力差作用下进入阳极池7b，从氮气出口12排出，测试期间持续通入氮气，去除溶解氧。

氢渗透性能测定过程：将单面镀镍后的试样8加持到双电解池7中间，试样8镀镍面置于阳极池7b侧，利用连接螺栓31、左法兰30和右法兰32将试样8和双电解池7连接固定，通过第一O型密封圈24和第二O型密封圈25起到密封作用。通过进液口33向阳极池7b输送电解液，打开氮气瓶14上的氮气瓶开关35，调节氮气稳压阀34向阳极池7b输送氮气，使氮气在氮气瓶14与电解液间的压力差作用下进入阳极池7b，从氮气出口12排出，测试期间持续通入氮气，去除电解液中溶解的氧气，同时将试样8、参比电极9和辅助电极10连接至电化学工作站13，除氧30min后启动电化学工作站13，并在测定过程中向阳极池7b持续通入氮气，将电化学工作站13设置为恒电位模式，电位设定于相对于参比电极0.3V电位上，待电化学工作站13捕捉的电流小于1×10^-6A后，打开氢气瓶开关2开始建压，通过氢气瓶1上的氢气稳压阀3和氢气电磁阀5向试样8通入高压氢气(气压为0.2～10MPa)，记录环境温度及环境湿度即为实验测试温度。测试步骤为残余电流平稳后，电化学工作站13记录释氢电流随时间的变化。当氢原子扩散稳态建立后，释氢电流达到最大值I_∞时，停止记录数据，实验结束。

本实用新型可以测量纯氢环境的氢渗透参数，还可以测量掺氢气体环境下的氢渗透参数，向气体缓冲釜中通入氢气和其他气体，用以模拟掺氢气体环境，从气体缓冲釜向阴极池侧通入掺氢气体，进行混氢环境下的氢渗透测量和掺氢环境下的动力学研究。

Claims (5)

1.一种模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，其特征在于，该装置以双电解池为核心部分，由阳极池与阴极池两个部分组成，阳极池与阴极池沿水平方向左右相对设置，阳极池的右侧开口与阴极池的左侧开口相对应，阴极池的右侧与气体缓冲釜出气口通过气体导管连接，氢气通过氢气瓶与氢气缓冲罐进入气体缓冲釜内，通过气体缓冲釜向阴极池输送高压氢气，称为输气系统；其中：

阴极池的左侧开口处设有样品槽，试样沿竖向安装于样品槽；阴极池的左侧开口端外侧设有左法兰，左法兰中心孔内壁设有与阴极池左侧端面相对应的竖向凸台，竖向凸台、左法兰中心孔内壁、阴极池左侧端面之间形成样品槽，阴极池左侧端面与试样的一侧之间通过第一O型密封圈进行密封；阳极池的右侧开口端设有与左法兰相对应的右法兰，右法兰中心孔位于阳极池的右侧开口以内，右法兰的右侧端面中心处设有水平凸台，水平凸台的外端与试样的另一侧相对应并接触，阳极池的右法兰外端与试样的另一侧通过第二O型密封圈密封连接；阳极池与阴极池利用连接螺栓通过带孔的左法兰、右法兰连接固定，连接螺栓拧紧过程中，将试样夹紧。

2.按照权利要求1所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，其特征在于，阳极池上的参比电极、辅助电极以及试样连接电化学工作站，进行氢渗透曲线的测量；同时，阳极池开设有氮气进口和氮气出口，氮气进口下端接近阳极池底部，氮气出口位于阳极池上平面，氮气瓶通过氮气导管连接氮气进口，向阳极池输送氮气并通过氮气出口排出，氮气瓶上设有氮气稳压阀、氮气瓶开关；同时，阳极池顶部开设有进液口，阳极池底部开设有出液口，方便电解液的导入与导出。

3.按照权利要求1所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，其特征在于，氢气瓶上安装气瓶开关、氢气稳压阀，氢气瓶的氢气出口通过气体导管与氢气缓冲罐的氢气入口相连通，氢气瓶内氢气压力高于所需测试的最高氢气压力，并且通过调整氢气稳压阀来调整通往缓冲罐的气体流速大小；氢气缓冲罐上安装氢气电磁阀，氢气电磁阀的控制端与信号采集处理系统的总控制电脑相连接，氢气电磁阀外侧的氢气出口通过气体导管与气体缓冲釜进气口连接，气体缓冲釜上方安装有气体缓冲釜进气口，气体缓冲釜侧面安装有气体缓冲釜出气口。

4.按照权利要求1所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，其特征在于，该装置设置于防爆房内，防爆房由防爆玻璃搭建，防爆房的顶部通过气体管道与大气连通，气体管道的出口处设置换气扇，换气扇不断向大气排出气体。

5.按照权利要求1所述的模拟临氢管材-掺氢环境耦合的高压气相氢渗透动力学测试装置，其特征在于，阴极池选用优质不锈钢材质，以承受气体高压以及长期的氢气损伤。

Images