一种测量储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度的方法与流程

本发明涉及一种材料氢缺陷测量技术，特别涉及一种利用β射线和x射线在感光底片上造影来测量储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度的方法。

背景技术：

随着传统石油能源应用产生的污染对环境的冲击日趋严重，氢能源的清洁应用优势也愈加明显。氢气的储存方法包括压缩储氢、液化储氢和金属氢化物储氢等。最常用的是压缩储氢容器，压缩储氢容器对制造所用板材的强度和抗氢性能有更高要求，原因在于：容器存储压缩氢气后氢扩散进入金属材料内部，易在位错、晶界、杂质原子、夹杂物和微空洞等缺陷处聚集，直接影响金属材料的物理性质，使其变脆；或以分子状态存于金属材料内部，增加材料的内应力，导致其发生塑性变形，产生裂纹或鼓包，加速裂纹扩展，甚至发生脆性断裂。由此可见，与氢直接接触的容器材料需要具备足够强的抗氢损伤性能才能保证其在临氢环境中长期安全服役。

材料在冶炼、轧制以及后期加工变形过程中，材料内部微观结构都是不完整的，在显微镜下可以看到各种各样的缺陷，比如位错、晶界的间隙、杂质原子、夹杂物和微空洞等，这些缺陷都容易捕捉氢，称之为氢缺陷，也称氢陷阱，这些缺陷周围存在有各种应变场，捕捉材料中扩散来的氢原子，从而影响氢原子在材料中的滞留分布与滞留量，并进而影响材料相应部位的氢致损伤程度。

目前，在实验室，可以采用热分解分析法，测量出试样中氢的捕捉量，然而，该方法只能获得氢在被测试样中的平均含量，不能直观显示氢在试样内部的位错、晶界、夹杂物、微空洞等缺陷位置滞留严重程度和滞留分布状况，因而不能根据材料相应位置氢致损伤程度采取应对措施，如局部加厚来延长储氢容器的使用寿命。另外，在实验室测量试样中氢的捕捉量，只能得到该块试样的氢缺陷大体状况，作为材料氢缺陷理论研究用，在实际的储氢容器加工件制造过程中，由于该方法不能显示材料氢缺陷具体位置的严重程度，因而没有实用性，不具有工业应用实际指导意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用β射线和x射线在感光底片上造影来测量储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度的方法，通过感光底片上的显影成像，确定氢在被测材料内部的位错、晶界、杂质原子、夹杂物和微空洞等缺陷位置滞留严重程度和滞留分布状况，根据被测材料相应位置氢致损伤程度采取应对措施，延长储氢容器使用寿命。对于提高储氢容器制造质量和安全使用，具有现实指导意义。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种测量储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度的方法，具体包括以下步骤：

1）将储氢容器加工件在加热炉内加热至200℃~280℃后，保温50~150min，再冷却至常温，置入真空室内，抽真空至3~50pa，充入20~50kpa的氢同位素氚，1~10min后，加热含氚气体至100℃~280℃，保温10~20h；

2）取出储氢容器加工件，冷却至常温，再置于暗室内，贴上感光底片，接收储氢容器加工件内部的氢同位素氚原子衰变产生的β射线和由β射线诱导产生的x射线，1小时后，取出感光底片，冲洗，通过彩色扫描仪在电脑上显示感光底片上储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度及分布状况；

3）将显示储氢容器加工件氢缺陷色度的感光底片与氢缺陷严重程度标准比色板比对，确定具体位置氢缺陷严重程度级别。

优选的，步骤1）将储氢容器加工件在加热炉内加热至250℃~280℃后，保温60min~90min，再冷却至常温，置入真空室内，抽真空至4~25pa，充入35~50kpa的氢同位素氚，2~6min后，加热含氚气体至180℃~280℃后，保温11~15h；

进一步优选的，步骤1）将储氢容器加工件在加热炉内加热至270℃~280℃后，保温50min~60min，再冷却至常温，置入真空室内，抽真空至5~20pa，充入40~50kpa的氢同位素氚，1~4min后，加热含氚气体至260℃~280℃后，保温10~12h；

所述含氚气体纯度为30.0%~99.9%。

本发明的工作原理是滞留在材料内部的氢同位素氚具有放射性，氚原子衰变而产生β射线，β射线遇到材料内部的原子，原子受到激发而产生x射线，在紧贴材料的感光底片成像。由于材料不同部位氢缺陷严重程度不一样，捕捉到氢同位素氚的密度也不一样，相应发出的放射性β射线、x射线的强度（剂量）也不一样，因此，根据这一特性，材料中β射线和x射线在感光底片的照射强度显示亮度差异的显影可以显示材料不同部位氢缺陷严重程度和分布状况，建立照射强度（亮度）与色度函数对应关系，将感光底片上的亮度差异通过彩色扫描仪转换成不同色度的色彩，在电脑上直观显示，再与氢缺陷严重程度标准比色板比对，从而确定材料具体位置氢缺陷严重程度。

本发明与现有技术相比，其优点是在现有热分解分析法测量材料的氢捕捉量的基础上更进一步，通过材料中β射线和x射线在感光底片上的显影成像，确定氢在被测材料内部的位错、晶界、杂质原子、夹杂物和微空洞等缺陷位置滞留严重程度和滞留分布状况，并将显示材料氢缺陷严重程度和分布状况的感光底片通过彩色扫描仪转换成不同色度的色彩，在电脑上直观显示，进而得到被测材料相应位置的氢致损伤程度，根据被测材料相应位置氢致损伤程度采取应对措施，延长储氢容器使用寿命。该方法在工业应用中具有实际指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例充氚储氢容器加工件的β射线、x射线放射1小时在电脑上显示感光底片上氢缺陷严重程度和分布状况的检测结果色度图。

图2为标定1小时氢缺陷严重程度标准比色板。

图中：1、感光底片；2、加工件散片显影；3、比色板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参考图1、图2，

一种测量储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度的方法，具体包括以下步骤：

1）将储氢容器加工件在加热炉内加热至200℃~280℃后，保温50~150min，再冷却至常温，置入真空室内，抽真空至3~50pa，充入20~50kpa的氢同位素氚，1~10min后，加热含氚气体至100℃~280℃，保温10~20h，确保氚在材料内部扩散分布均匀；

2）取出储氢容器加工件，冷却至常温，再置于暗室内，贴上感光底片1，接收储氢容器加工件内部的氢同位素氚原子衰变产生的β射线和由β射线诱导产生的x射线，1小时后，取出感光底片1，冲洗，通过彩色扫描仪在电脑上显示感光底片1上储氢容器加工件具体位置氢缺陷严重程度及分布状况；

3）将显示储氢容器加工件氢缺陷色度的感光底片1与氢缺陷严重程度标准比色板比3对，确定具体位置氢缺陷严重程度级别。优选的，步骤1）将储氢容器加工件在加热炉内加热至250℃~280℃后，保温60min~90min，再冷却至常温，置入真空室内，抽真空至4~25pa，充入35~50kpa的氢同位素氚，2~6min后，加热含氚气体至180℃~280℃后，保温11~15h；进一步优选的，步骤1）将储氢容器加工件在加热炉内加热至270℃~280℃后，保温50min~60min，再冷却至常温，置入真空室内，抽真空至5~20pa，充入40~50kpa的氢同位素氚，1~4min后，加热含氚气体至260℃~280℃后，保温10~12h；所述含氚气体纯度为30.0%~99.9%。

本发明储氢容器加工件加热的目的是排除加工件散片中的残留氢，加热温度越低，残留氢扩散速度越慢，排氢时间越长；加热温度越高，虽然残留氢扩散速度越快，排氢时间越短，但是温度过高对储氢容器加工件的强度降低影响很大；为此，经过多次试验表明，加热温度控制在200℃~280℃为最佳范围。

氢同位素氚扩散到储氢容器加工件的内部所需时间与含氚气体纯度、压力、温度有关，含氚气体纯度越高、压力越大、温度越高，储氢容器加工件充氚时间越短。当然，过高的加热温度会影响储氢容器加工件的性能。实验表明，作为工业应用方案，本发明选定充氚压力20~50kpa，加热含氚气体温度控制在100℃~280℃。

图2为标定1小时氢缺陷严重程度标准比色板，共有14个级别，按照亮度与色度对应关系，氢缺陷严重程度按标识a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n色度逐步降低。

氢缺陷严重程度标准比色板的制作在实验室内完成。在实验室，将代表氢缺陷严重程度各个级别（共14个级别）的标样置入密闭容器内，抽真空至3~50pa，充入20~50kpa的氢同位素氚，1~10min后，加热含氚气体至100℃~280℃，保温10~20h；再取出14件标样，冷却后置于暗室内，贴上感光底片，接收标样内部的氢同位素氚原子衰变产生的β射线及由β射线诱导产生的x射线，设定放射时间，作为标定时间，按标定时间取出这14张感光底片，冲洗，通过建立的照射强度（亮度）与色度函数对应关系，将每张感光底片上的亮度通过彩色扫描仪转换成不同色度的色彩，在电脑上显示这14张感光底片各个级别标样氢缺陷严重程度的色度。将代表各个级别氢缺陷严重程度标样的色度根据色彩的深浅排序，依次放置在比色板上，制作成氢缺陷严重程度标准比色板。根据设定的标定时间，可以制作标定时间为1小时、2小时、3小时或其他时间的氢缺陷严重程度标准比色板。

实施例1：

制造一个小型储氢罐，要求罐体氢缺陷严重程度级别不能超过标定时间为1小时的氢缺陷严重程度标准比色板中的e级。将制作好的罐体加工件散片放进加热炉内加热至260℃，保温80min，排除罐体加工件散片中的残留氢。加热炉的加热方式采用常规燃气加热或电加热，并且用开关调整控制加热温度，用热电偶监测加热温度。罐体加工件散片加热完毕后取出，冷却至常温，置入真空室内，设定真空度为10pa，用真空泵抽真空至10pa，开启氚气瓶，调整压力，设定充氚压力为40kpa，充入氚纯度为99.9%的氢同位素氚，3min后充满真空室，用电加热器加热含氚气体至260℃，并且用旋钮开关控制加热温度，用热电偶监测加热温度，保温14h后取出罐体加工件散片，冷却至常温，再置于暗室内，在罐体加工件散片的两个表面贴上感光底片1，用透明胶固定。感光底片1接收罐体加工件散片内部的氢同位素氚原子衰变产生的β射线及由β射线诱导产生的x射线，设定放射时间为1小时，到达1小时，取出感光底片1，冲洗，在感光底片1上显示罐体加工件散片具体位置氢缺陷严重程度及分布状况的成像。将罐体加工件散片显影2通过彩色扫描仪在电脑上转换成氢缺陷色度，与标定时间为1小时的氢缺陷严重程度标准比色板3比对，确定具体位置氢缺陷严重程度级别。

图1显示了罐体加工件散片的一个表面在感光底片1上显示的罐体加工件散片显影2的具体位置氢缺陷严重程度及分布状况色度图，从图1与图2比对可以看出，图1中罐体加工件散片显影2中标识a、c位置的氢缺陷问题严重，氢缺陷严重程度级别超过e级要求，罐体拼装焊接后在此位置需要加厚处理，而罐体加工件散片的其它位置氢缺陷没有超过e级，达到安全使用要求。

实施例2：

建造一个大型储氢容器，要求储氢容器氢缺陷严重程度级别不能超过标定时间为1小时的氢缺陷严重程度标准比色板3中的c级。将储氢容器加工件散片放进加热炉内加热至280℃，保温60min，排除储氢容器加工件散片中的残留氢。储氢容器加工件散片加热完毕后取出，冷却至常温，置入真空室内，设定真空度为5pa，用真空泵抽真空至5pa，开启氚气瓶，调整压力，设定充氚压力为48kpa，充入氚纯度为60%的氚氘混合气体，2min后充满真空室，加热含氚气体至270℃，保温11h后取出储氢容器加工件散片，冷却至常温，置于暗室内，在储氢容器加工件散片的两个表面贴上感光底片1，用透明胶固定。感光底片1接收储氢容器加工件散片内部的氢同位素氚原子衰变产生的β射线及由β射线诱导产生的x射线，设定放射时间为1小时，到达1小时，取出感光底片1，冲洗，在感光底片1上显示储氢容器加工件散片具体位置氢缺陷严重程度及分布状况显影。将储氢容器加工件散片显影2通过彩色扫描仪在电脑上转换成氢缺陷色度，与标定时间为1小时的氢缺陷严重程度标准比色板3比对，根据比对结果，确定储氢容器加工件散片具体位置氢缺陷严重程度级别，按制造要求对被测散片相应位置氢致损伤程度采取应对措施。

实施例3：

制造一个氢气瓶，要求氢气瓶瓶体氢缺陷严重程度级别不能超过标定时间为1小时的氢缺陷严重程度标准比色板中的g级。将制作材料旋压成形后，放进加热炉内加热至210℃，保温140min，排除氢气瓶瓶体中的残留氢。氢气瓶瓶体加热完毕后取出，冷却至常温，置入真空室内，设定真空度为36pa，用真空泵抽真空至36pa，开启氚气瓶，调整压力，设定充氚压力为21kpa，充入21kpa氚纯度为30%的氚氘混合气体，10min后，加热含氚气体至130℃，保温20h后取出氢气瓶瓶体，冷却至常温，置于暗室内，在氢气瓶瓶体外围表面贴上感光底片1，用透明胶固定。感光底片1接收氢气瓶瓶体内部的氢同位素氚原子衰变产生的β射线及由β射线诱导产生的x射线，设定放射时间1小时，到达1小时，取出感光底片1，冲洗，在感光底片1上显示氢气瓶瓶体周身具体位置氢缺陷严重程度及分布状况。将显示氢气瓶瓶体周身的感光底片1通过彩色扫描仪在电脑上转换成氢缺陷色度，将显示氢气瓶瓶体氢缺陷色度的感光底片1与标定时间为1小时的氢缺陷严重程度标准比色板比对，根据比对结果，确定氢气瓶瓶体具体位置氢缺陷严重程度级别，按制造要求对被测瓶体相应位置氢致损伤程度采取应对措施。

最后说明：本发明的技术方案是采用显示氢缺陷严重程度标准比色板，因此，在实际使用中需要将感光底片1经β射线、x射线照射后留下的显示材料不同部位氢缺陷严重程度的照射强度（亮度）差异通过建立的照射强度（亮度）与色度函数对应关系，将感光底片1上的亮度差异通过彩色扫描仪转换成不同色度的色彩，在电脑上直观显示，便于与氢缺陷严重程度标准比色板比对，从而确定材料不同部位氢缺陷严重程度。感光底片1反映氢缺陷严重程度的显影是色彩的差异，这种色彩的差异与图2氢缺陷严重程度级别设定的色彩比对，就可以确定储氢容器加工件氢缺陷严重程度。本发明图1、图2标识的氢缺陷严重程度级别是为了便于审查员对本发明技术方案的充分理解而标识，实际使用不标识。图1、图2对应的彩色图片作为参考文献同时提交。

最后声明：本发明保护范围并不局限于此，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。