用于渗透氢测量的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测定具有另外气体的混合物中的氢浓度的装置。
[0002]该装置可用于在化学或电化学浴中的表面处理过程中测定或跟踪金属工件中吸收的氢产物。
[0003]该装置还可用于监控金属工件(例如腐蚀环境中使用的或与石油化学工业中的包括氢的气体接触的、供电设备中的或氢产生/分布设施中的、特别是高温下使用的部件中的管)中的腐蚀和氢渗透。
[0004]该装置还可进一步用于进行焊接接头的非破坏性试验。
[0005]该装置还可用于评估氢在固体材料、特别是金属中的扩散性。
【背景技术】
[0006]众所周知，与金属工件系统地接触的氢可降低金属工件的强度。这是真实的，特别是，在钢的情况下。实际上，如在一些工艺环境中的情况，与氢气的长期接触可导致氢被吸收进金属中。超过一定程度，这可使氢脆增加。例如，化学或电化学表面处理工艺(例如电流处理、酸洗、化学铣削或电抛光)已知用于处理金属工件。这些工艺通过在处理浴中以H+离子存在的氢的还原反应来发生。这样，产生可留在被处理的工件内且可导致脆裂的原子氢。
[0007]各种程序已知用于评估工业电处理工艺中氢脆的风险。例如，ASTM F519-10提供了对必须根据特定程序制备的大量样本的破坏性试验。ASTM F 326-96提供了处理过程中氢吸收参数的测量、和随后的脱氢处理过程中其渗透性的测量。这些程序的缺点是太贵。此夕卜，其不直接且不是及时的试验。换言之，使用与被实际处理的工件不同的样品，且为了得到试验结果必须等待一定时间。因此，如果结果不可接受，可能需要召回已派送或甚至已使用的工件，这导致了很大的钱财损失和其他缺点。此外，以上提到的程序不允许为了在处理过程中限制工件中的氢吸收而实时调整可变的工艺，且其没有提高工艺效率。
[0008]以上情况对其中使用酸溶液处理金属工件的表面以除去氧化表面层的处理也适用。例如，酸洗通常通过氢产生来发生，其可导致氢脆。此外，酸溶液可能侵蚀金属。
[0009]因此，需要一种装置，通过该装置可连续跟踪电流处理或如酸洗的处理中的氢吸收，以便可提供实时数据，且优选地，通过该装置可进行工艺控制以防止氢脆。
[0010]还已知的是，金属工件的漆包工艺可引起被处理工件的氢吸收和表面脆化。实际上，当准备漆包釉料时，温度通常达到800°C与850°C之间。这些情况下，漆包混合物中存在的一些水被金属工件的钢的离子催化地分离，因此形成被吸收进工件且然后在工件中扩散的氢。在随后的工件的冷却中，氢趋于移动回到工件表面，在工件表面氢遇到不可渗透的漆包层。氢的压力可使该层变质和弱化。这是所谓的“鱼鳞”缺陷。
[0011]因此，需要用于初步渗透试验的装置以评估金属工件是否可以在不导致该性能的情况下被漆包。
[0012]传统地用于初步渗透试验的装置为Devanathan-Stachurski电池，其包括氢产生半电池和测量半电池。该电池允许测量氢在金属中的扩散性。该装置是复杂的，因为存在必须安装在一起的两个半电池，因为必须保证紧密连接且为了其他次要的原因。此外，该试验具有很长周期。因此，需要一种用于进行氢渗透初步试验或用于测量氢在金属材料中的扩散性的装置，该装置比现有技术的装置更方便用户且更可靠。
[0013]为了测量金属工件中氢的含量，使用已知为解吸器的装置，解吸器包括炉，该炉中布置有随后被密封在石英管内的样品。然后将样品加热以导致被吸收的氢出来和随气流离开该炉。该流中的氢浓度被监控、求积分且与样品的重量比较，因此获得样品中包含的氢的定量测量。解析器相当麻烦且昂贵，且还涉及很大的操作和维护成本。此外，解析器仅允许破坏性试验。因此，需要比常规解析器更便宜的、涉及更低操作和维护成本、且更方便用户的用于测定金属工件中包括的氢的含量的装置。还需要该装置用于进行非破坏性试验。
[0014]还已知的是，金属材料的腐蚀过程中的至少一个步骤通过产生氢发生。氢产生取决于腐蚀强度。该装置还已知用于监控氢的流量，作为腐蚀事件的指示。这些装置包括电流型传感器，其也不提供满意的可靠度和强度。
[0015]众所周知，氢越来越多地用作能量媒介/燃料，例如，用于给机动车提供动力。特别地，氢气分布设施和网络被发展为包括自助栗。为了该设施的安全性，需要装置实时检查用于运送和储存氢气的导管和气瓶的金属中是否可能发生氢脆。现在，没有可以可靠地检测和通知该氢脆风险的装置。
[0016]US2009/0277249A1描述了通过使包含氢的混合物与密封元件接触且通过测量以分子氢的形式穿过该密封元件的氢的量来测定密封元件的质量的方法和装置。还提到了该相同技术的、用于进行部件中的渗透试验的用途，其中氢仍以分子形式穿过该部件。该技术不允许测定密封元件中存在的氢的含量，且不允许测定密封元件中的氢扩散性。因此，US2009/0277249A1不能评估密封元件的脆裂风险，而是评估密封元件的紧密度，即密封元件中损失了多少氢。
[0017]EP1114992A2中，使用了一种帽形收集元件，该帽形收集元件设有用于收集来自工件表面的氢的螺旋形肋，且还使用了电流型传感器。
[0018]W02011/131897A1描述了一种用于监控运送腐蚀流体的金属导管中的腐蚀率的方法，其中设有布置为当装置安装在金属导管的壁上时形成腔的装置，该腔用于容纳透过导管壁的氢气。该方法包括用于消除腔的金属组分的处理步骤、测量腔中容纳的氢的量的步骤，以评估导管金属的腐蚀率。甚至在这种情况下，渗透氢的测量为渗透率测量，由于腐蚀，渗透率提高，但是这不能导致导管壁中存在的氢的含量或壁中的氢扩散性被测定。
【发明内容】
[0019]因此，本发明的一个目的是提供一种用于检测金属工件或制品中的氢的存在、和用于评估是否可能发生腐蚀过程或氢脆风险的装置。
[0020]本发明的一个特别的目的是提供一种用于确定氢是否存在于金属工件中、和用于评估由于涉及氢产生的处理工艺(例如电流处理、酸洗、化学铣削或电抛光)中金属工件的氢脆产生的腐蚀裂化风险的装置。
[0021]本发明的另一特别的目的是提供一种用于对金属进行氢渗透初步试验以评估氢扩散性和/或以预见相同金属的工件在如漆包工艺的表面处理过程中的性能的装置。
[0022]本发明的另一特别的目的是提供一种用于确定氢是否存在于设备的工件中、且用于评估设备的工件(例如用于运送和/或处理和/或储存例如待使用于机动车的配电设施中的氢气的管和容器)的氢有关风险的装置。
[0023]本发明的又一个特别的目的为提供一种用于通过氢渗透测量识别化学/能量制造工业中使用的管和容器元件的腐蚀工艺的装置。
[0024]本发明的一个特别目的为测定工件中存在的氢的含量和/或氢在工件中的扩散性，以及将该含量和/或扩散性与由于氢弱化或脆化率产生的工件的裂化风险相关联。
[0025]这些和其他目的通过一种用于测量通过渗透以氢原子的形式被工件吸收的氢的含量以表征工件与可弱化或导致工件脆裂的被吸收的氢之间的相互作用的装置来实现，该装置包括:
[0026]-探头，该探头包括:
[0027]-收集装置，用于容纳从工件散发出的一定量的被吸收的氢；
[0028]-入口孔，用于测量气体、特别是环境空气；
[0029]-混合腔，该混合腔布置为与入口孔和收集元件气连通，该混合腔用于混合测量气体和从工件散发出的一定量的氢，以便形成气态混合物，该气态混合物中从工件散发出的一定量的氢从原子形式变为分子形式；
[0030]-固态传感器，该固态传感器布置为用于测量气态混合物中的氢浓度，该固态传感器与混合腔气连接(气动连接、气压连接，pneumatically communicate)以与气态混合物接触，该固态传感器用于响应气态混合物的氢浓度产生测量信号；
[0031 ]-气体传输装置，该气体传输装置布置为用于产生以预定流速从入口孔朝向固态传感器流动的测量气体流，该流布置为用于协助气态混合物在混合腔中形成且与固体传感器接触；
[0032]-处理器装置，该处理器装置与固态传感器功能地连接以接收测量信号，该处理器装置包括程序装置，该程序装置用于处理测量信号和计算与工件和被吸收的氢之间的相互作用有关的至少一个参数。
[0033]本身已知的固态传感器还用于氢，但仅用于测量可形成在环境中的气体-氢混合物中的氢浓度，而不用于测量金属或其他材料的工件中吸收且通过这些工件的表面散发出的氢。使用固态传感器的优点为其不包括电极，因此其不需要使用特定液体或凝胶，即可能有毒或有害的化学物质。
[0034]以氢原子的形式被吸收的氢渗透进工件的过程由于工件内部与其周围环境之间的被吸收的氢浓度梯度而发生，在周围环境中氢以分子形式存在且具有非常低的浓度，通常为约0.5ppm。
[0035]在根据另一示例性实施例的装置中，探头的收集元件包括用于散发出的一定量氢的进入开口，且包括用于将探头布置为使进入开口面对工件的装置，以便从工件散发出的一定量的氢穿过该进入开口以进入混合腔。该装置对于以工件中吸收的氢进行测量是有用的。
[0036]特别地，用于将探头布置为使进入开口面对工件的装置用于紧固探头以使开口布置为与工件接触。固定装置可为常规固定装置，特别地，其可包括机械装置，例如螺杆-螺纹装置、法兰装置以及焊接装置。可选地，或另外，该固定装置可为磁装置，例如，如果工件包括可被磁材料吸引的金属，该固定装置可包括磁材料制成的探头的至少一部分。
[0037]本发明的目的还通过一种用于测量从工件散发出的一定量的氢以表征工件与以氢原子的形式被工件吸收的氢之间的相互作用的方法，该方法包括以下步骤:
[0038]-将混合腔与工件邻近布置，以便从工件散发出的一定量的氢可进入混合腔；
[0039]-以预定流速将测量气体、特别是环境空气的流引入混合腔；
[0040]-在混合腔中形成测量气体与从