一种基于内渗氢和外析氢的输氢管道氢脆测量装置及方法与流程

1.本发明属于材料特性测量技术领域，具体涉及一种基于内渗氢和外析氢的输氢管道氢脆测量装置及方法。


背景技术：

2.碳达峰和碳中和是我国能源发展面临的重大挑战，氢能作为潜力巨大的清洁能源载体，将成为达成“双碳目标”的重要选择。目前中国氢能产业正步入发展快车道，城镇地区用氢需求将不断提升，如何实现氢能的规模化经济、安全输运是制约氢能发展的关键问题。在众多氢能输运方式中，管道输氢在大规模长距离输氢中具有其他方式不可比拟的优势。国际氢能委员会在2021年公布的调研结果显示，纯氢长输管道的建设成本约为天然气管道的2～3倍，而改造现有管道所需的投资仅为建造一条新管道的10～30％。目前，全球天然气管道总建设里程约为127万公里，其中中国天然气管道总长约8.6万公里，已基本形成贯穿全国的天然气输送系统，将氢气掺入现有的天然气管道进行输送将能大幅降低氢能输运成本，并提高现役管输系统的利用率。
3.然而，埋地天然气管道输氢后，面临着因阴极保护电位过负、杂散电流干扰等引发的外部析氢和复杂气体组分环境下的内部渗氢共同作用下的复杂氢脆问题。现有测试方法由于无法同时模拟输氢管道内外表面遭受的不同充氢环境，即内表面高压氢环境下的渗氢和外表面阴极保护和/或干扰环境下的析氢，因此只能实现外部析氢或内部渗氢单独作用下的材料氢相容性测试。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于内渗氢和外析氢的输氢管道氢脆测量装置及方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供一种基于内渗氢和外析氢的输氢管道氢脆测量装置，包括：高压氢环境仓，拉伸试验机，设置在高压氢环境仓中、两端分别与拉伸试验机连接的试样组件，阴极保护设备；所述试样组件包括：用于模拟待测输氢管道的管道试样，置于管道试样内部的土壤模拟溶液，一端浸于土壤模拟溶液中另一端与阴极保护设备电连接的铂电极和参比电极；拉伸试验机用于对管道试样进行内表面充氢和外表面充氢后，测量管道试样所能承受的最大拉力，待测输氢管道的氢脆敏感性系数基于测得的所述最大拉力计算获得；所述内表面充氢是指对管道试样的内表面进行电化学充氢，所述外表面充氢是指对管道试样的外表面进行气相充氢。
7.进一步地，所述待测输氢管道的氢脆敏感性系数的计算公式为：
8.[0009][0010]
其中，
[0011][0012][0013]
式中，ψ
ra
、ψ
ts
分别为以断面收缩率变化和抗拉强度变化为计算依据的氢脆敏感性系数，ra、ts分别为断面收缩率和抗拉强度，下标k、h分别表示惰性环境和充氢环境，s0、s分别为管道试样拉伸前后的截面积，f
max
为管道试样的最大拉伸力，p为试验压力。
[0014]
进一步地，所述装置还包括用于实现电气控制的控制器。
[0015]
更进一步地，所述高压氢环境仓包括：釜体，釜盖，分别安装在釜体进气管和出气管上的进气阀和出气阀，釜盖和釜体底部分别设有用于穿过试样组件的通孔。
[0016]
更进一步地，所述装置还包括与控制器电连接的用于测量高压氢环境仓气压和温度的压力传感器和温度传感器，以及与釜体可靠接触的加热套。
[0017]
更进一步地，对管道试样的外表面进行气相充氢的方法包括：
[0018]
将盛放氢气混合体的容器和真空泵分别通过进气管和出气管与高压氢环境仓连接，所述氢气混合体包括氢气和甲烷；
[0019]
关闭进气阀，打开出气阀，抽真空至压力100pa以下；
[0020]
关闭出气阀，打开进气阀，通入氢气混合体至目标压力；
[0021]
重复上述抽气、充气过程3次，使高压氢环境仓内的氢气达到目标值；
[0022]
加热套在控制器作用下加电，使高压氢环境仓内的温度达到设定温度；
[0023]
待高压氢环境仓内的温度和压力稳定后，保持所述稳定状态至设定时间。
[0024]
进一步地，所述试样组件还包括：分别设置在管道试样两端的两个堵头，设置在其中一个堵头与土壤模拟溶液之间的橡胶垫，另一个堵头为用于固定铂电极和参比电极的电连接器。
[0025]
更进一步地，所述装置还包括与控制器电连接的氢气报警器和排风扇。
[0026]
第二方面，本发明提供一种应用所述装置进行输氢管道氢脆敏感性测量的方法，包括以下步骤：
[0027]
s1、将组装好的试样组件安装在高压氢环境仓中，将管道试样连接拉伸试验机，并将铂电极和参比电极分别与阴极保护设备连接好；
[0028]
s2、对管道试样进行内表面充氢，即，给阴极保护设备加电并将管道试样电位调至设定值，待所述电位稳定后对管道试样施加电化学析氢至设定时间；
[0029]
s3、对管道试样进行外表面充氢，即，在高压氢环境仓中充入氢气混合体，使其达到设定的温度和压力并稳定后，保持所述稳定状态至设定时间；所述氢气混合体包括氢气和甲烷；
[0030]
s4、利用拉伸试验机测量管道试样的最大拉伸力及最大拉力对应的截面积，并基于所述最大拉力和截面积，计算待测输氢管道的氢脆敏感性系数。
[0031]
进一步地，所述待测输氢管道的氢脆敏感性系数的计算公式为：
[0032][0033][0034]
其中，
[0035][0036][0037]
式中，ψ
ra
、ψ
ts
分别为以断面收缩率变化和抗拉强度变化为计算依据的氢脆敏感性系数，ra、ts分别为断面收缩率和抗拉强度，下标k、h分别表示惰性环境和充氢环境，s0、s分别为管道试样拉伸前后的截面积，f
max
为管道试样的最大拉伸力，p为试验压力。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
[0039]
本发明通过设置高压氢环境仓、拉伸试验机、设置在高压氢环境仓中两端分别与拉伸试验机连接的试样组件、阴极保护设备，所述试样组件包括用于模拟待测输氢管道的管道试样、置于管道试样内部的土壤模拟溶液、浸于土壤模拟溶液中与阴极保护设备电连接的铂电极和参比电极，拉伸试验机用于对管道试样进行内表面充氢和外表面充氢后，测量管道试样所能承受的最大拉力；待测输氢管道的氢脆敏感性系数基于所述最大拉力计算获得，实现了基于模拟试验方法对待测输氢管道的氢脆敏感性系数的测量和计算，解决了现有测试方法由于无法同时模拟输氢管道内外表面遭受的不同充氢环境，只能实现外部析氢或内部渗氢单独作用下的材料氢相容性测试的问题。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例一种基于内渗氢和外析氢的输氢管道氢脆测量装置的方框图。
[0041]
图2为试样组件的结构示意图。
[0042]
图3为本发明实施例一种应用所述装置进行输氢管道氢脆敏感性测量的方法的流程图。
[0043]
图中：1-试样组件，11-管道试样，12-土壤模拟溶液，13-橡胶垫，14-铂电极，15-参比电极，16-堵头，2-高压氢环境仓，3-阴极保护设备，4-拉伸试验机。
具体实施方式
[0044]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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。
[0045]
图1为本发明实施例一种基于内渗氢和外析氢的输氢管道氢脆测量装置的组成框图，包括：高压氢环境仓2，拉伸试验机4，设置在高压氢环境仓2中、两端分别与拉伸试验机4连接的试样组件1，阴极保护设备3；所述试样组件1包括：用于模拟待测输氢管道的管道试样11，置于管道试样11内部的土壤模拟溶液12，一端浸于土壤模拟溶液12中另一端与阴极保护设备3电连接的铂电极14和参比电极15；拉伸试验机4用于对管道试样11进行内表面充氢和外表面充氢后，测量管道试样11所能承受的最大拉力，待测输氢管道的氢脆敏感性系数基于测得的所述最大拉力计算获得。内表面充氢是指对管道试样的内表面进行电化学充氢，电化学充氢的方法为：通过对参比电极、铂电极、管道试样内表面和模拟土壤溶液构成的电极系统施加电位或电流，使管道试样内表面析出氢气，以实现从管道试样内表面向管壁内部的充氢；外表面充氢是指对管道试样的外表面进行气相充氢，气相充氢的方法为：通过在高压氢环境仓内形成高压氢气环境，使氢气在氢分压的作用下从管道试样外表面向管壁内部扩散，以实现从管道试样外表面向管壁内部的充氢。
[0046]
本实施例提供一种输氢管道氢脆敏感性测量装置，所述装置基于模拟试验方法实现对待测输氢管道的氢脆敏感性系数的测量和计算。本实施例采用管道试样11模拟待测输氢管道；采用高压氢环境仓2模拟输氢管道内表面高压氢环境下的渗氢，采用阴极保护设备3模拟输氢管道外表面阴极保护和/或干扰环境下的析氢。本实施例的模拟试验装置，可解决现有测试方法由于无法同时模拟输氢管道内外表面遭受的不同充氢环境，只能实现外部析氢或内部渗氢单独作用下的材料氢相容性测试的问题。
[0047]
本实施例中，所述装置主要由试样组件1、高压氢环境仓2、阴极保护设备3和拉伸试验机4组成，如图1所示。下面分别介绍每部分的功用。
[0048]
试样组件1，主要由管道试样11、土壤模拟溶液12、铂电极14和参比电极15组成。如图2所示。管道试样11用于模拟待测输氢管道。在试验前一般需要对管道试样11进行前期处理，主要包括将加工好的管道试样11内外表面除油、标距划线、试样的总长、直径和试样壁厚等测量。除油是指去除机加工或人手触摸后残留的油脂，以避免油膜对实验结果产生影响；标距划线用于显示拉伸试验前后管道试样11的长度变化；试样的总长、直径和试样壁厚等测量用于管道试样11几何参数的计算，如截面积。土壤模拟溶液12装在管道试样11内，用于模拟待测输氢管道的埋地状态；铂电极14和参比电极15浸在土壤模拟溶液12中，并与阴极保护设备3电连接，用于模拟输氢管道的阴极保护状态。铂电极14在阴极保护电路中作为阳极，与管道试样11构成电流回路。铂电极14与阴极保护设备3的辅助电极(ce)端子相连，参比电极15与阴极保护设备3的参比电极端子(re)相连。
[0049]
高压氢环境仓2，主要用于模拟待测输氢管道的输氢环境，即产生高压氢环境。所述输氢环境的指标一般包括氢气比例、气体组分、高压环境仓压力和温度等。现有氢脆敏感性测量方法一般只在样品内部进行预充氢，不产生高压氢环境。比如公开号为cn112539995 a的发明专利“一个评价阴极保护过程中材料氢脆敏感性的方法”，采用电位控制方法模拟阴极保护析氢环境，结合材料在空气介质中慢应变速率拉伸的变形情况进行综合判断，使用断面收缩率损失和断裂能损失进行综合损失率的定义，判断综合损失率是否超过设定阈值，以此判断在阴极保护环境下材料氢脆敏感的情况。这种方法的缺点是不能同时模拟输氢管道内表面渗氢和外表面析氢的苛刻环境，其测量装置也不适合高压含氢环境。为此，本实施例设置了高压氢环境仓2，使管道试样11置于所述高压氢环境仓2中，在拉伸试验前对
管道试样11分别进行内外表面预充氢，用于解决现有技术存在的上述问题。
[0050]
阴极保护设备3，主要用于通过为管道试样11施加一定的电位模拟输氢管道外表面阴极保护和/或干扰环境下的析氢。阴极保护设备3包括但不限于恒电位仪、直流电源、交流电源等。进行试验前将铂电极14和参比电极15与阴极保护设备3连接好，通过调整相应的阴极保护设备3的输出对管道试样11的电位进行精确模拟，当所述电位稳定后对管道试样11施加电化学析氢(使管道试样内表面析出氢气)至设定的时间。
[0051]
拉伸试验机4，主要用于测量管道试样11的抗拉强度，即最大拉伸力。慢应变速率加载拉伸是最常用的一种评价材料氢脆敏感性的试验方法，本实施例的拉伸试验机4为慢应变速率拉伸试验机4系统，包括力、位移、位移速率精确控制和记录系统，满足gb/t 15970.7和astm g129标准测试要求。试验时，先将管道试样11的两端连接拉伸试验机4，设置拉伸试验机4的拉伸速率(10-8
～10-3
s-1
)，然后开始拉伸测试，使管道试样11慢慢拉伸至断裂，得到最大拉伸力。
[0052]
值得说明的是，本实施例的氢脆敏感性测量需要在惰性环境和充氢环境下，利用拉伸试验机4分别对管道试样11进行最大拉伸力等测量。惰性环境是指材料氢脆不敏感的环境，通常包括空气环境、氮气环境、氦气环境等。充氢环境是指施加电化学析氢(管道试样11内部充氢)和/或含氢气环境(高压氢环境仓2中充入氢气混合体)。后面的实施例将给出基于惰性环境和充氢环境下的拉伸试验结果计算氢脆敏感性系数的一种技术方案。
[0053]
作为一可选实施例，所述待测输氢管道的氢脆敏感性系数的计算公式为：
[0054][0055][0056]
其中，
[0057][0058][0059]
式中，ψ
ra
、ψ
ts
分别为以断面收缩率变化和抗拉强度变化为计算依据的氢脆敏感性系数，ra、ts分别为断面收缩率和抗拉强度，下标k、h分别表示惰性环境和充氢环境，s0、s分别为管道试样11拉伸前后的截面积，f
max
为管道试样11的最大拉伸力，p为试验压力。
[0060]
本实施例给出了氢脆敏感性系数的一种计算方法。本实施例基于惰性环境和充氢环境下断面收缩率和抗拉强度的变化率计算氢脆敏感性系数，计算公式如(1)式、(2)式。rak是指惰性环境下断面收缩率，rah是指充氢环境下断面收缩率，ψ
ra
为以断面收缩率变化为计算依据的材料氢脆敏感性系数，用以表征材料在充氢环境下的塑性损失。rak、rah的计算公式如(3)式。tsk是指惰性环境下抗拉强度，tsh是指充氢环境下抗拉强度，ψ
ts
为以抗拉强度变化为计算依据的材料氢脆敏感性系数，用以表征材料在充氢环境下的强度损失。tsk、tsh的计算公式如(4)式。
[0061]
作为一可选实施例，所述装置还包括用于实现电气控制的控制器。
[0062]
本实施例还设置了用于实现电气控制的控制器。由于本实施例所述装置还包括一些必要的电子器件，比如，为了实现高压氢环境仓2的温度和压力控制，需要设置温度和压力传感器以及加热装置等。控制器主要由微处理器及外围电路的组成，通过输出各种控制信号实现电气控制。
[0063]
作为一可选实施例，所述高压氢环境仓2包括：釜体，釜盖，分别安装在釜体进气管和出气管上的进气阀和出气阀，釜盖和釜体底部分别设有用于穿过试样组件1的通孔。
[0064]
本实施例给出了高压氢环境仓2的一种结构。所述高压氢环境仓2主要由釜体和釜盖组成。所述釜盖和釜体底部分别设有尺寸与管道试样11匹配的通孔，用于使管道试样11穿过高压氢环境仓2固定，也就是使管道试样11置于高压氢环境仓2中。为了对高压氢环境仓2进行充氢和抽真空或排气，还设有与釜体连通的进气管和出气管。为了便于进行控制，进气管和出气管上还设有进气阀和出气阀(如果是电磁阀，其控制端与控制器电连接)。当然，高压氢环境仓2还包括密封圈、紧固螺栓、反力架、拉杆、爆破阀等很多辅助部件。
[0065]
作为一可选实施例，所述装置还包括与控制器电连接的用于测量高压氢环境仓2气压和温度的压力传感器和温度传感器，以及与釜体可靠接触的加热套。
[0066]
本实施例中，为了实现对高压氢环境仓2温度和气压的监测与调整，还设置了用于实时测量高压氢环境仓2气压和温度的压力传感器和温度传感器，以及与釜体可靠接触的加热套。所述压力传感器、温度传感器和加热套均与控制器电连接，在控制器作用下(如控制加热套的功率和加热时间，控制进气阀的开度或通断时间)使高压氢环境仓2的温度和气压稳定在设定值。
[0067]
作为一可选实施例，对管道试样的外表面进行气相充氢的方法包括：
[0068]
将盛放氢气混合体的容器和真空泵分别通过进气管和出气管与高压氢环境仓2连接，所述氢气混合体包括氢气和甲烷，根据实际情况和模拟精度要求，还可包含氧气、二氧化碳等；
[0069]
关闭进气阀，打开出气阀，抽真空至压力100pa以下；
[0070]
关闭出气阀，打开进气阀，通入氢气混合体至目标压力；
[0071]
重复上述抽气、充气过程3次，使高压氢环境仓2内的氢气达到目标值；所述氢气达到目标值是指氢分压达到目标分压力值；
[0072]
加热套在控制器作用下加电，使高压氢环境仓2内的温度达到设定温度；
[0073]
待高压氢环境仓2内的温度和压力稳定后，保持所述稳定状态至设定时间。
[0074]
本实施例给出了对管道试样的外表面进行气相充氢的一种技术方案。由于空气中的h2o等组分可能对氢脆敏感性测试结果产生影响，因此需要通过多次(本实施例为3次)进行抽真空和充入氢气混合体使高压氢环境仓2内的气体组分与目标组分一致，以避免外界气源杂质对试验结果的影响。上面给出了详细的充气调温调压过程，这里不再赘述。
[0075]
作为一可选实施例，所述试样组件1还包括：分别设置在管道试样11两端的两个堵头16，设置在其中一个堵头16与土壤模拟溶液12之间的橡胶垫13，另一个堵头16为用于固定铂电极14和参比电极15的电连接器。
[0076]
本实施例给出了试样组件1更具体的一种技术方案。如图2所示，本实施例中，为了封闭土壤模拟溶液12，试样组件1还包括设置在管道试样11两端的两个堵头16，以及设置在
其中一个堵头16(下面一个)与土壤模拟溶液12之间的橡胶垫13。橡胶垫13的上端近似与管道试样11的下端标距线平齐，土壤模拟溶液12的液面近似与标距线上端平齐。铂电极14和参比电极15要穿过另一个堵头16(上面一个)，因此该堵头16兼作用于固定铂电极14和参比电极15的电连接器，比如，可以采用航空插头/座。
[0077]
作为一可选实施例，所述装置还包括与控制器电连接的氢气报警器和排风扇。
[0078]
本实施例中，为了有效保障试验的安全，还设置了与控制器电连接的氢气报警器和排风扇，图中未画出。由于拉伸试验开始后，管道试样11与密封端的相对位移可能导致少量氢气泄漏，严重时可能引起氢气燃爆。为此，本实施例设置了氢气报警器，当泄漏的氢气达到一定浓度时发出报警信号；还设置了排风扇，以避免试验过程中泄漏的氢气发生积聚从而引发爆炸。
[0079]
图3为本发明实施例一种应用所述装置进行输氢管道氢脆敏感性测量的方法，包括以下步骤：
[0080]
s1、将组装好的试样组件1安装在高压氢环境仓2中，将管道试样11连接拉伸试验机4，并将铂电极14和参比电极15分别与阴极保护设备3连接好。
[0081]
s2、对管道试样11进行内表面充氢，即，给阴极保护设备3加电并将管道试样11电位调至设定值，待所述电位稳定后对管道试样11施加电化学析氢至设定时间。
[0082]
s3、对管道试样11进行外表面充氢，即，在高压氢环境仓2中充入氢气混合体，使其达到设定的温度和压力并稳定后，保持所述稳定状态至设定时间；所述氢气混合体包括氢气和甲烷，根据实际情况和模拟精度要求，还可包含氧气、二氧化碳等。
[0083]
s4、利用拉伸试验机4测量管道试样11的最大拉伸力及最大拉力对应的截面积，并基于所述最大拉力和截面积计算待测输氢管道的氢脆敏感性系数。
[0084]
本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。
[0085]
作为一可选实施例，所述待测输氢管道的氢脆敏感性系数的计算公式为：
[0086][0087][0088]
其中，
[0089][0090][0091]
式中，ψ
ra
、ψ
ts
分别为以断面收缩率变化和抗拉强度变化为计算依据的氢脆敏感性系数，ra、ts分别为断面收缩率和抗拉强度，下标k、h分别表示惰性环境和充氢环境，s0、s分别为管道试样11拉伸前后的截面积，f
max
为管道试样11的最大拉伸力，p为试验压力。
[0092]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，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以权利要求的保护范围为准。