高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，包括螺帽、试样、高温高压阴极反应釜、阳极析氢反应槽和试样座；所述高温高压阴极反应釜一侧的侧壁上沿径向设置有密封套，所述密封套的一端位于高温高压阴极反应釜的反应腔处，而其另一端则凸伸出高温高压阴极反应釜的外侧壁，并与高温高压阴极反应釜的外侧壁之间形成密封连接；所述高温高压阴极反应釜的外侧壁上安装有加热装置；所述阳极析氢反应槽的一侧延伸至密封套的外端。本发明的装置在试样内壁镀有镍层，由于镀镍层的催化作用，腐蚀过程中析出的氢能够完全被氧化，因此测到的氧化电流即氢渗透电流能够完全反映氢渗透行为。
【专利说明】
高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及模拟检测金属材料的技术领域，具体为一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]世界上很多油气田是酸性气田，其中含有大量的硫化氢，石油设备暴露在湿H2S环境中，并且在应力的条件下，一方面大大增加石油设备的宏观腐蚀，另一方面氢原子进入金属构件材料内部，诱发各种形式的开裂，尤其应力腐蚀开裂是常常发生的。随着石油产业的不断发展，油气开采的环境日益恶劣，压力逐渐增大，温度逐渐升高，硫化氢含量逐渐增加；在上述严苛的环境中，材料在应力作用下会对环境的作用(如氢脆、腐蚀等)更加敏感，交互式的作用会加速材料的劣化。因此对石油设备的要求也就越来越高，尤其是长期服役的油套管等设备在石油工业中的腐蚀状况对安全生产具有非常重要的意义。目前，渗氢量是反映材料腐蚀状况的重要指标，该数据与应力腐蚀、氢致开裂和腐蚀速率等有着紧密联系。因此，有必要研究金属材料在其应用环境中的氢渗透行为。
[0003]目前多采用Devnathan-Stachurski双电解池来测量腐蚀过程中氢的渗透量，该电解池可以较好地测量静载条件下的氢渗透电流。1962年，Devanathan和stachurski提出了一种“双电解池”电化学方法来研究氢对金属的渗透，其主要结构是由金属箔双面电极及其两侧的两个电解槽组成，箔的一侧处于自由腐蚀或阴极充氢状态，另一侧(表面镀了活性层催化剂Pd)则在0.1molNaOH溶液中处于阳极钝化状态，该方法采用恒电位仪对阳极侧施加一个氧化电位，能将由充氢侧扩散过来的原子氢氧化，其氧化电流密度就是原子氢扩散速率的直接度量；1973年，Deluccia和Berman通过使用Ni/N1电极代替恒电位仪作为一个稳定的不极化电极，能够消除用于控制阳极电位的复杂电子设备，发明了 “Barnaclc”电极；1988年，A.Turnbul I等人参照“双电解池”技术，在阳极池中使用含H2S的溶液来分析在H2S环境中的氢扩散行为，利用氢渗透法检测金属材料的渗氢量数据准确可靠，对石油工业的安全生产具有重要的意义。但是，上述各试验装置都只能在常温常压下进行，无法模拟石油工业中的高温高压H2S环境。这大大限制了此项技术在石油领域的研究中的应用。
[0004]不可否认的是如果能得到在应力件及高温高压条件下金属材料在腐蚀环境中的氢渗透行为，即在一次实验中同时得到氢渗透电流随时间的变化、随应力、应变的变化以及随硫化氢浓度(分压)的变化关系，就可以获得金属材料在该腐蚀环境中的应力腐蚀开裂敏感性与氢渗透行为之间的关系，分析腐蚀破裂机制，便于选材和及时对材料进行保护。
[0005]因此，很有必要设计一种能在高温高压硫化氢环境及应力条件下进行试验的氢渗透行为的装置及方法，以分析高温高压下硫化氢在金属材料中的腐蚀与氢渗透行为以及机理。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置及方法，以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，包括螺帽、试样、磁耦合搅拌器、搅拌杆、叶片旋转装置、高温高压阴极反应釜、端面法兰、密封套筒、阳极析氢反应槽、螺栓孔和试样座;所述高温高压阴极反应釜一侧的侧壁上沿径向设置有密封套，所述密封套的一端位于高温高压阴极反应釜的反应腔处，而其另一端则凸伸出高温高压阴极反应釜的外侧壁，并与高温高压阴极反应釜的外侧壁之间形成密封连接，所述高温高压阴极反应釜的外侧壁上安装有加热装置，所述密封套上设有参比电极、导线和辅助电极，所述高温高压阴极反应釜的右侧安装有两个支管，且支管上安装有支管密封装置，所述高温高压阴极反应釜的顶端安装有高温高压釜，所述高温高压釜上安装有磁耦合搅拌器，所述磁耦合搅拌器的输出轴上安装有搅拌杆，所述搅拌杆上安装有叶片旋转装置，所述阳极析氢反应槽的一侧延伸至密封套的外端，与密封套采用螺母连接，两者之间的连接处形成试样座，所述试样座的两个端面法兰各开两个螺栓孔；且两个法兰端面夹有橡胶密封垫片，所述阳极析氢反应槽一侧通过螺栓帽封堵，通过螺纹固定在阳极析氢反应槽的壳壁上，所述阳极析氢反应槽的上侧分别设有出液口、铂片、参比电极口及出气口、工作电极导线口和辅助电极口。
[0008]一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测方法，包括以下步骤:步骤一，试样内壁清洗和吹干;步骤二，试样的固定和密封;步骤三，阳极析氢反应槽通过导线与电化学工作站连接;步骤四，阴极高温高压反应釜的试验条件;步骤五，试样拉伸率的选择和数据的记录;其特征在于:
[0009]在所述步骤一中:将试样内壁工作部分面镀镍，镀镍后用无水酒精、丙酮采用超声波清洗干净，冷风吹干；
[0010]在所述步骤二中:将试样放入试样座中，利用螺栓通过法兰端固定，同时用橡胶密封垫圈密封；
[0011]在所述步骤三中:在阳极析氢反应槽中加入NaOH溶液，将参比电极、辅助电极以及与试样连接的导线与电化学工作站连接好；
[0012]在所述步骤四中:阴极高温高压反应釜设置好试验条件；
[0013]在所述步骤五中:将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，选择拉伸速率，对试样进行拉伸，在拉伸过程中通过数据采集器用计算机连续记录氢渗透电流。
[0014]进一步，所述试样座之间采用密封橡胶密封，所述试样采用板状试样。
[0015]进一步，所述试样中部把阳极析氢反应槽及阴极反应釜隔开，试样两端设置成有利于拉伸机夹置形状。
[0016]进一步，所述试样座包含有密封套筒的外端、阳极析氢反应槽的一端，并且包含密封橡胶，阳极析氢反应槽的一端是发盘形式，密封套的外端也是发盘形式，并且在端面的中间部位形成凹槽，此凹槽即是试样座。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明可测量加载条件下以及高温高压硫化氢环境下金属材料腐蚀反应而产生的氢的扩散电流，弥补了现有电解池只能测量未受力以及常温常压下样品的氢渗透的不足;本发明装置在试样内壁(与阳极析氢反应槽接触一侧)镀有镍层，由于镀镍层的催化作用，腐蚀过程中析出的氢能够完全被氧化，因此测到的氧化电流即氢渗透电流能够完全反映氢渗透行为;本发明装置简单，操作简单，精度高，很少量的氢渗透量及速率的变化也能够通过测量氢渗透电流的变化反映出来;能够连续记录氢渗透电流，可以比较在试样从刚开始受力到断裂这一过程中氢渗透电流的变化情况，进而可以绘出氢渗透速率随应力、应变大小而变化的规律，为环境敏感断裂机制的研究提供了方法。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的整体结构示意图，显示了其使用状态；
[0019]图2为本发明电解池与密封套筒连接的结构示意图，显示了试样的位置及工作状态；
[0020]图3为本发明法兰端面形成试样座的主视图；
[0021 ]图4为本发明一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测方法的流程图；
[0022]图中:1-螺帽；2-参比电极;3-导线；4-辅助电极；5-密封橡胶;6_试样；7_加热装置;8-磁耦合搅拌器;9-高温高压釜；10-支管；11 -支管密封装置；12-搅拌杆；13-叶片旋转装置;14-高温高压阴极反应釜;15-出液口 I; 16-铂片；17-参比电极口及出气口； 18-工作电极导线口； 19-辅助电极口； 20-端面法兰；21-密封套筒；22-阳极析氢反应槽;23-螺栓孔；24-试样座。
【具体实施方式】
[0023]下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0024]请参阅图1-4，本发明提供的一种实施例:一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，包括螺帽1、试样6、磁耦合搅拌器8、搅拌杆12、叶片旋转装置13、高温高压阴极反应釜14、端面法兰20、密封套筒21、阳极析氢反应槽22、螺栓孔23和试样座24;高温高压阴极反应釜14 一侧的侧壁上沿径向设置有密封套，密封套的一端位于高温高压阴极反应釜14的反应腔处，而其另一端则凸伸出高温高压阴极反应釜14的外侧壁，并与高温高压阴极反应釜14的外侧壁之间形成密封连接;高温高压阴极反应釜14的外侧壁上安装有加热装置7，密封套上设有参比电极2、导线3和辅助电极4，高温高压阴极反应釜14的右侧安装有两个支管10，且支管10上安装有支管密封装置11，高温高压阴极反应釜14的顶端安装有高温高压釜9，高温高压釜9上安装有磁耦合搅拌器8;磁耦合搅拌器8的输出轴上安装有搅拌杆12;搅拌杆12上安装有叶片旋转装置13;阳极析氢反应槽22的一侧延伸至密封套的外端，与密封套采用螺母I连接，两者之间的连接处形成试样座24;试样座24的两个端面法兰20各开两个螺栓孔23;且两个法兰端面20夹有橡胶密封垫片5;所述阳极析氢反应槽22—侧通过螺栓帽封堵;通过螺纹固定在阳极析氢反应槽22的壳壁上；阳极析氢反应槽22的上侧分别设有出液口 15、铂片16、参比电极口及出气口 17、工作电极导线口 18和辅助电极口 19。
[0025]—种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测方法，包括以下步骤:步骤一，试样内壁清洗和吹干;步骤二，试样的固定和密封;步骤三，阳极析氢反应槽通过导线与电化学工作站连接;步骤四，阴极高温高压反应釜的试验条件;步骤五，试样拉伸率的选择和数据的记录;其特征在于:
[0026]在所述步骤一中:将试样内壁工作部分面镀镍，镀镍后用无水酒精、丙酮采用超声波清洗干净，冷风吹干；
[0027]在所述步骤二中:将试样放入试样座中，利用螺栓通过法兰端固定，同时用橡胶密封垫圈密封；
[0028]在所述步骤三中:在阳极析氢反应槽中加入NaOH溶液，将参比电极、辅助电极以及与试样连接的导线与电化学工作站连接好；
[0029]在所述步骤四中:阴极高温高压反应釜设置好试验条件；
[0030]在所述步骤五中:将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，选择拉伸速率，对试样进行拉伸，在拉伸过程中通过数据采集器用计算机连续记录氢渗透电流。
[0031]试样座24之间采用密封橡胶5密封;试样6采用板状试样，试样6中部把阳极析氢反应槽22及阴极反应釜隔开，试样6两端设置成有利于拉伸机夹置形状，试样座24包含有密封套筒21的外端、阳极析氢反应槽22的一端，并且包含密封橡胶5，阳极析氢反应槽22的一端是发盘形式，密封套的外端也是发盘形式，并且在端面的中间部位形成凹槽，此凹槽即是试样座24。
[0032]—种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置及方法，使用时在试样座24中设置待测金属试片，并将待测金属试片的两端连接到慢应变拉伸机上，以及在反应槽中设置辅助电极4、参比电极2及工作电极导线口 18，并分别连接电化学工作站，通过在反应釜及反应槽中对应注入含硫化氢的工况溶液及NaOH溶液，随着对反应釜中的硫化氢溶液进行不同温度的加热，可以模拟金属材料在不同的拉伸速率以及不同压力和温度的工况下的氢渗透状况，并能考察不同的拉伸速率温度、压力、溶液成分和H2S分压等参数对氢渗透量的影响以及对待测金属的腐蚀规律
[0033]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
【主权项】
1.一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，其特征在于:包括螺帽(I)、试样(6)、磁耦合搅拌器(8)、搅拌杆(12)、叶片旋转装置(13)、高温高压阴极反应釜(14)、端面法兰(20)、密封套筒(21)、阳极析氢反应槽(22)、螺栓孔(23)和试样座(24);所述高温高压阴极反应釜(14) 一侧的侧壁上沿径向设置有密封套，所述密封套的一端位于高温高压阴极反应釜(14)的反应腔处，而其另一端则凸伸出高温高压阴极反应釜(14)的外侧壁，并与高温高压阴极反应釜(14)的外侧壁之间形成密封连接，所述高温高压阴极反应釜(14)的外侧壁上安装有加热装置(7)，所述密封套上设有参比电极(2)、导线(3)和辅助电极(4)，所述高温高压阴极反应釜(14)的右侧安装有两个支管(10)，且支管(10)上安装有支管密封装置(11)，所述高温高压阴极反应釜(14)的顶端安装有高温高压釜(9)，所述高温高压釜(9)上安装有磁耦合搅拌器(8)，所述磁耦合搅拌器(8)的输出轴上安装有搅拌杆(12);所述搅拌杆(12)上安装有叶片旋转装置(13)，所述阳极析氢反应槽(22)的一侧延伸至密封套的外端，与密封套采用螺母(I)连接，两者之间的连接处形成试样座(24)，所述试样座(24)的两个端面法兰(20)各开两个螺栓孔(23)，且两个法兰端面(20)夹有橡胶密封垫片(5)，所述阳极析氢反应槽22—侧通过螺栓帽封堵，通过螺纹固定在阳极析氢反应槽(22)的壳壁上，所述阳极析氢反应槽(22)的上侧分别设有出液口(15)、铂片(16)、参比电极口及出气口(17)、工作电极导线口(18)和辅助电极口(19)。2.—种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测方法，包括以下步骤:步骤一，试样内壁清洗和吹干;步骤二，试样的固定和密封;步骤三，阳极析氢反应槽通过导线与电化学工作站连接;步骤四，阴极高温高压反应釜的试验条件;步骤五，试样拉伸率的选择和数据的记录;其特征在于: 在所述步骤一中:将试样内壁工作部分面镀镍，镀镍后用无水酒精、丙酮采用超声波清洗干净，冷风吹干； 在所述步骤二中:将试样放入试样座中，利用螺栓通过法兰端固定，同时用橡胶密封垫圈密封； 在所述步骤三中:在阳极析氢反应槽中加入NaOH溶液，将参比电极、辅助电极以及与试样连接的导线与电化学工作站连接好； 在所述步骤四中:阴极高温高压反应釜设置好试验条件； 在所述步骤五中:将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，选择拉伸速率，对试样进行拉伸，在拉伸过程中通过数据采集器用计算机连续记录氢渗透电流。3.如权利要求1所述的一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，其特征在于，所述试样座(24)之间采用密封橡胶(5)密封，所述试样(6)采用板状试样。4.按权利要求1所述的一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，其特征在于:所述试样(6)中部把阳极析氢反应槽(22)及阴极反应釜隔开，试样(6)两端设置成拉伸机夹置形状。5.按权利要求1所述的一种高温高压硫化氢环境及应力条件下氢渗透检测装置，其特征在于:所述试样座(24)包含有密封套筒(21)的外端、阳极析氢反应槽(22)的一端，并且包含密封橡胶(5)，阳极析氢反应槽(22)的一端是发盘形式，密封套的外端也是发盘形式，并且在端面的中间部位形成凹槽，凹槽即是试样座(24)。
【文档编号】G01N17/02GK105842149SQ201610154661
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】张智, 刘志伟, 周泽宇, 段杰浩, 钟显康, 侯铎, 扈俊颖, 曾德智, 孔维伟, 周琛洋, 何雨, 施太和
【申请人】西南石油大学