气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及海底管道应力腐蚀实验技术领域，尤其是涉及一种结构简单、操作方便并能够模拟材料在深海环境下的气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置及实验方法。

背景技术

随着氢能发展利用技术的不断成熟和完善，大规模集中制氢和长距离输氢是未来趋势，海底管道运输是最经济的方式，建立纯氢高压输运管网是建设氢能社会的终极目标。

目前我国已建立了较为完善的海底输氢管道网络，但由于海底管道长期暴露于恶劣的海洋环境中，承受复杂工作载荷、环境载荷及意外风险载荷，导致含氯离子海水介质与管线钢的直接接触，引发管线钢的均匀腐蚀、点蚀和应力腐蚀。由于氢在管线钢中的扩散系数极高，输氢管道内的高压氢会侵入管线钢，导致管线钢的氢脆断裂。并且，随着氢不断在钢中的扩散，致使管线钢外表面局部氢浓度的升高，发生氢致损伤，上述影响会加剧海水对管线钢局部腐蚀进程。

目前有关海底管道应力腐蚀的实验主要有：

预充氢应力腐蚀实验和电化学充氢应力腐蚀实验；对海底管道材料预充氢，可使一部分氢饱和在材料内部，但由于管线钢的氢脆敏感性以及氢扩散系数比较高的特性，使得材料内部的氢无法长时间储存，对后续的实验测试数据误差有较大的影响；

电化学充氢的应力腐蚀实验研究，是在改装的Devanathan-Stachurski双电解池中进行的。通过在阴极施加极化电位，对充氢池的碱性或酸性溶液电解出氢原子吸附在材料表面，部分氢原子通过在金属材料表面吸附和脱附以及在基体内部扩散等步骤，实现氢在外加应力的状态研究其应力腐蚀损伤机制。

但电化学充氢使得表面聚集的氢浓度远大于实际管材中气相充氢浓度，与实际氢扩散行为方式偏离较大。其次，在极化释放氢的过程中，氢检测端的材料表面电荷分布发生改变，偏离其最初的平衡电位，使得氢在表面吸附和解离偏离实际行为，难以满足对实际应用的参考标准。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、操作方便并能够模拟材料在深海环境下的气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置及实验方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置，包括设于支架上的高压釜体，设于高压釜体上的法兰釜盖，设于高压釜体中的NaCl溶液，设于NaCl溶液中的棒状的试样，设于机架上的拉力传感器，与拉力传感器连接的上拉伸杆，设于机架上的伺服电机，与伺服电机连接的电动缸，与电动缸的活塞杆连接的下拉伸杆；上拉伸杆下部穿过法兰釜盖伸入高压釜体中，下拉伸杆上部穿过高压釜体底部伸入高压釜体中，上拉伸杆下端通过上夹具与试样上端固定连接，下拉伸杆上端通过下夹具与试样下端固定连接，下拉伸杆上设有位移传感器；试样上端面上设有沿试样的轴向延伸的进气孔，法兰釜盖上设有试样通气管、釜体进气管、釜体排气管和釜体安全阀；高压釜体左部设有辅助电极、参比电极和工作电极，工作电极、辅助电极和参比电极的右端均插入NaCl溶液中，工作电极的右端通过导线与试样中部连接，工作电极、辅助电极和参比电极的左端均与电化学工作站连接；试样通气管的下端与换向接头连接，换向接头与转接管连接，转接管插入进气孔的上部中，试样通气管上端与第一气体压力表连接，试样通气管的上部分别与第一进气阀和第一排气阀连接，第一排气阀与第一机械泵连接；釜体排气管通过第二排气阀与第二机械泵连接，釜体进气管和釜体排气管下端均位于NaCl溶液的液面上方，釜体进气管上端与第二气体压力表连接，釜体进气管上部与第二进气阀连接；高压釜体的外周面上设有加热电阻丝，高压釜体的釜体壁中设有热电偶温度计，加热电阻丝和热电偶温度计均与温度控制器电连接；伺服电机、拉力传感器和电化学工作站均与电脑数据连接。

本发明的气相空间环境由试样进气管、转接管和试样的进气孔构成，NaCl溶液用于模拟海底管道所处的深海环境。气体安全阀用于保证高压釜体的安全性。换向接头的设置便于更换试样及转接管，重复实验时只需要更换试样和转接管即可。本发明通过对高压釜体内溶液环境和气相氢环境的模拟，达到模拟海底输氢管道在多种条件下的耦合的应力腐蚀实验的目的。

作为优选，高压釜体底部设有进液口和出液口，进液口与计量泵连接。计量泵的设置，便于向高压釜体中定量定压的充入液体。

作为优选，所述上夹具包括圆筒和插入件；所述插入件包括圆形底座和设于圆形底座上的围板；圆形底座中设有贯穿竖孔，围板上设有两个左右对应的开口槽；围板可插入圆筒中并与圆筒下部螺纹配合连接，上拉伸杆下端可插入圆筒中并与圆筒上部螺纹配合连接，转接管从左部的开口槽穿出围板之外；

所述下夹具呈圆柱体状，下夹具上表面上设有与贯穿竖孔对应的试样凹孔，下夹具下表面上设有连接凹槽；下拉伸杆上端可插入连接凹槽中并与连接凹槽螺纹配合连接，试样上端插入贯穿竖孔中并与贯穿竖孔螺纹连接，试样下端插入试样凹孔中并与试样凹孔螺纹配合连接。

上夹具和下夹具的结构设置，使试样与上夹具、下夹具的连接，上夹具与上拉伸杆的连接，下夹具与下拉伸杆的连接更加稳定。

作为优选，第一进气阀通过第一控制阀与试样通气管连接，第一排气阀通过第二控制阀与试样通气管连接。第一控制阀和第二控制阀的设置，使充气时的气压调节更容易精细控制。

作为优选，高压釜体和法兰釜盖通过若干个硬质螺栓连接，各个硬质螺栓与高压釜体连接处内侧设有密封铜环；上拉伸杆与法兰釜盖连接处设有上密封套筒，下拉伸杆与高压釜体底部的连接处设有下密封套筒，上密封套筒下端和下密封套筒上端均设有O型凹槽，O型凹槽中设有O型密封套环。

本发明的密封方式由静密封与动密封相互配合来实现的，静密封是由多个硬质螺栓和可拆卸更换的密封铜环相配合构成；动密封是由上密封套筒、下密封套筒、O型凹槽和设于O型凹槽中的涂有真空密封脂的O型密封套环配合构成，共同达到动密封的目的。

作为优选，加热电阻丝外侧设有316L不锈钢环向增强层，316L不锈钢环向增强层通过若干个环向增强螺栓与高压釜体外周壁连接。

316L不锈钢环向增强层用于提高釜体的承压能力，并且可以包裹集束状的加热电阻丝，确保高压釜体内的NaCl溶液溶液受热均匀，减小釜内热量损失。

一种气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1，打磨、抛光、清洗试样；

步骤2，将转接管下端插入进气孔上部中，在转接管与进气孔的连接处涂抹真空焊膏，将试样与转接管平放进烧结试管中，给烧结试管抽真空，待烧结试管内达到1.0E-4Pa的真空度后，设置烧结温度及保温时间，进行钎焊；

试样是由单孔状圆棒拉伸制作而成，采用真空钎焊技术，在高真空高温烧结的作用下，钎料在毛细血管的作用下流转接管与进气孔之间的间隙中，实现异种材料的焊接，达到较高的剪切强度及优异的密封特性，为了避免加热过程中试样的显微组织发生改变，影响材料的力学性能，造成实验误差，选取钎焊的钎料时，采用与试样再结晶温度以下的烧结温度所适配的钎料。

将钎焊好的试样及转接管从烧结试管中取出，将试样与工作电极右端连接，将试样分别与上夹具和下夹具连接，将上夹具与上拉伸杆连接，下夹具与下拉伸杆连接，将转接管与换向接头连接；

步骤2，利用温度控制器控制加热电阻丝对高压釜体进行加热，使高压釜体的温度维持在23℃-27℃范围内；打开第二机械泵和第二排气阀，对高压釜体内抽真空；

待真空抽取完毕后，关闭第二机械泵和第二排气阀，关闭出液口；打开进液口，用计量泵将将Ph值为7.5-7.8的3.5％氯化钠溶液充入高压釜体中，使3.5％氯化钠溶液的液面高于试样上端，关闭进液口；

步骤3，打开与第二进气阀连接的高纯氮气气源，设定气源压力，打开第二进气阀，向高压釜体中充入氮气，观察第二压力表的示数变化，待示数稳定后，关闭与第二进气阀连接的高纯氮气气源和第二进气阀；

步骤4，设i＝0；

步骤4-1，打开第一机械泵和第一排气阀对试样的进气孔抽真空，真空抽取完毕后，关闭第一机械泵和第一排气阀；

步骤4-2，打开第一进气阀和与第一进气阀连接的高纯氮气气源，向试样的进气孔中充入0.5Mpa的氮气，使i的值增加1；当i＜3时，返回步骤4-1；

当i＝3时，关闭第一进气阀和与第一进气阀连接的高纯氮气气源，转入步骤5；

步骤5，打开与第一进气阀连接的高纯氢气气源，设定氢气压力，打开第一进气阀，向试样的进气孔内充入氢气，观察第一压力表的示数变化，待示数稳定后，关闭高纯氢气气源和第一进气阀；

步骤6，辅助电极、参比电极和工作电极测量3.5％氯化钠溶液的电化学腐蚀数据；

电脑控制伺服电机带动电动缸工作，电动缸带动下拉伸杆向下拉伸试样，电脑通过拉力传感器检测的拉力数据和位移传感器检测的位移数据判断试样状态，当试样被拉断时，拉力传感器检测的拉力数据为0，电脑控制伺服电机停止工作；电脑利用电化学腐蚀数据、拉力数据和位移数据，绘制出电化学阻抗谱图或拉伸工程拉伸应力-应变曲线图。

作为优选，第一进气阀通过第一控制阀与试样通气管连接，第一排气阀通过第二控制阀与试样通气管连接；步骤4和步骤5由如下步骤替换：

步骤4，设i＝0；

步骤4-1，打开第一机械泵、第一排气阀和第二控制阀对试样的进气孔抽真空，真空抽取完毕后，关闭第一机械泵、第一排气阀和第二控制阀；

步骤4-2，打开第一进气阀、第一控制阀和与第一进气阀连接的高纯氮气气源，向试样的进气孔中充入0.5Mpa的氮气，使i的值增加1，当i＜3时，返回步骤4-1；

当i＝3时，关闭第一进气阀、第一控制阀和与第一进气阀连接的高纯氮气气源，转入步骤5；

步骤5，打开与第一进气阀连接的高纯氢气气源，设定氢气压力，打开第一进气阀和第一控制阀，向试样的进气孔内充入氢气，观察第一压力表的示数变化，待示数稳定后，关闭高纯氢气气源、第一进气阀和第一控制阀。

因此，本发明具有如下有益效果：结构简单、操作方便，可模拟材料在深海环境下的气相氢环境，将氢致材料损伤与海水腐蚀损伤联系到一起，为制作海底输氢管道的材料的选择提供了可靠数据基础。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的一种局部放大图；

图3是本发明的插入件的一种剖视图；

图4是本发明的试样的一种剖视图；

图5是本发明的实施例的一种电化学交流阻抗谱图；

图6是本发明的一种拉伸工程拉伸应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1-图4所示的实施例是一种气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置，包括设于支架上的高压釜体1，设于高压釜体上的法兰釜盖2，设于高压釜体中的NaCl溶液11，设于NaCl溶液中的棒状的试样3，设于机架上的拉力传感器，与拉力传感器连接的上拉伸杆13，设于机架上的伺服电机，与伺服电机连接的电动缸，与电动缸的活塞杆连接的下拉伸杆14；上拉伸杆下部穿过法兰釜盖伸入高压釜体中，下拉伸杆上部穿过高压釜体底部伸入高压釜体中，上拉伸杆下端通过上夹具4与试样上端固定连接，下拉伸杆上端通过下夹具5与试样下端固定连接，下拉伸杆上设有位移传感器；试样上端面上设有沿试样的轴向延伸的进气孔31，法兰釜盖上设有试样通气管21、釜体进气管22、釜体排气管23和釜体安全阀24；高压釜体左部设有辅助电极101、参比电极102和工作电极103，工作电极、辅助电极和参比电极的右端均插入NaCl溶液中，工作电极的右端通过导线与试样中部连接，工作电极、辅助电极和参比电极的左端均与电化学工作站连接；试样通气管的下端与换向接头201连接，换向接头与转接管202连接，转接管插入进气孔的上部中，试样通气管上端与第一气体压力表211连接，试样通气管的上部分别与第一进气阀212和第一排气阀213连接，第一排气阀与第一机械泵连接；釜体排气管通过第二排气阀231与第二机械泵连接，釜体进气管和釜体排气管下端均位于NaCl溶液的液面上方，釜体进气管上端与第二气体压力表221连接，釜体进气管上部与第二进气阀222连接；高压釜体的外周面上设有加热电阻丝15，高压釜体的釜体壁中设有热电偶温度计16，加热电阻丝和热电偶温度计均与温度控制器电连接；伺服电机、拉力传感器和电化学工作站均与电脑数据连接。

高压釜体底部设有进液口17和出液口18，进液口与计量泵连接。

上夹具包括圆筒41和插入件42；插入件包括圆形底座421和设于圆形底座上的围板422；圆形底座中设有贯穿竖孔423，围板上设有两个左右对应的开口槽424；围板可插入圆筒中并与圆筒下部螺纹配合连接，上拉伸杆下端可插入圆筒中并与圆筒上部螺纹配合连接；转接管从左部的开口槽穿出围板之外；

下夹具呈圆柱体状，下夹具上表面上设有与贯穿竖孔对应的试样凹孔51，下夹具下表面上设有连接凹槽52；下拉伸杆上端可插入连接凹槽中并与连接凹槽螺纹配合连接，试样上端插入贯穿竖孔中并与贯穿竖孔螺纹连接，试样下端插入试样凹孔中并与试样凹孔螺纹配合连接。

第一进气阀通过第一控制阀2120与试样通气管连接，第一排气阀通过第二控制阀2130与试样通气管连接。

高压釜体和法兰釜盖通过5个硬质螺栓104连接，各个硬质螺栓与高压釜体连接处内侧设有密封铜环105；上拉伸杆与法兰釜盖连接处设有上密封套筒106，下拉伸杆与高压釜体底部的连接处设有下密封套筒107，上密封套筒下端和下密封套筒上端均设有O型凹槽，O型凹槽中设有O型密封套环108。

加热电阻丝外侧设有316L不锈钢环向增强层19，316L不锈钢环向增强层通过若干个环向增强螺栓191与高压釜体外周壁连接。

一种气相氢环境下海底管道应力腐蚀的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1，打磨、抛光、清洗试样：

将试样的进气孔内侧与外侧依次用240目、600目、1000目、1200目、1500目、2000目的碳化硅砂纸研磨，再用金刚石抛光膏抛至两侧光滑无明显划痕，抛光完成将试样放进无水乙醇与丙酮中超声清洗，热风吹干；

步骤2，将转接管下端插入进气孔上部中，使转接管外壁与进气孔的四周之间留有0.5mm的均匀间隙，在间隙中涂抹真空焊膏，将试样与转接管平放进烧结试管中，给烧结试管抽真空，待烧结试管内达到1.0E-4Pa的真空度后，设置烧结温度及保温时间，进行钎焊；

将钎焊好的试样及转接管从烧结试管中取出，将试样与工作电极右端连接，将试样分别与上夹具和下夹具连接，将上夹具与上拉伸杆连接，下夹具与下拉伸杆连接，将转接管与换向接头连接；

步骤2，利用温度控制器控制加热电阻丝对高压釜体进行加热，使高压釜体的温度维持在25℃范围内；打开第二机械泵和第二排气阀，对高压釜体内抽真空；

用0.1mol/L的NaOH调制3.5％氯化钠溶液的PH值，以Ph值＝7.5(25℃)为例，通过对配置的3.5％氯化钠溶液通入不同时间不同流量的高纯氮气以控制不同浓度的溶氧量，溶解氧浓度采用溶氧监测仪来确定；

待真空抽取完毕后，关闭第二机械泵和第二排气阀，关闭出液口；打开进液口，用计量泵将将Ph值为7.5的3.5％氯化钠溶液充入高压釜体中，使3.5％氯化钠溶液的液面高于试样上端，关闭进液口；

步骤3，打开与第二进气阀连接的高纯氮气气源，通过旋紧减压阀设定气源压力，打开第二进气阀，向高压釜体中充入氮气，观察第二压力表的示数变化，待示数稳定后，关闭与第二进气阀连接的高纯氮气气源和第二进气阀；

步骤4，设i＝0；

步骤4-1，打开第一机械泵、第一排气阀和第二控制阀对试样的进气孔抽真空，真空抽取完毕后，关闭第一机械泵、第一排气阀和第二控制阀；

步骤4-2，打开第一进气阀、第一控制阀和与第一进气阀连接的高纯氮气气源，向试样的进气孔中充入0.5Mpa的氮气，使i的值增加1，当i＜3时，返回步骤4-1；

当i＝3时，关闭第一进气阀、第一控制阀和与第一进气阀连接的高纯氮气气源，转入步骤5；

步骤5，打开与第一进气阀连接的高纯氢气气源，设定氢气压力，打开第一进气阀和第一控制阀，向试样的进气孔内充入氢气，观察第一压力表的示数变化，待示数稳定后，关闭高纯氢气气源、第一进气阀和第一控制阀；

步骤6，辅助电极、参比电极和工作电极测量3.5％氯化钠溶液的电化学腐蚀数据；

电脑控制伺服电机带动电动缸工作，电动缸带动下拉伸杆向下拉伸试样，电脑通过拉力传感器检测的拉力数据和位移传感器检测的位移数据判断试样状态，当试样被拉断时，拉力传感器检测的拉力数据为0，电脑控制伺服电机停止工作；电脑利用电化学腐蚀数据、拉力数据和位移数据，绘制出如图所示的电化学阻抗谱图。

以下为两组实验的实验参数及结果分析：

一、恒应力下的交流阻抗谱的测试

1.待测材料：X52低强度管线钢，沿管线钢轧制方向加工成待测试样形状，按照上述实验过程对待测试样研磨、抛光、钎焊；

2.测试溶液：3.5％的氯化钠溶液，添加浓度为0.1mol/L的NaOH至溶液Ph＝7.7±0.2(25℃),溶液Ph值利用Ph值测试仪计(PHS-25-2F)测定；溶氧量7mg/L；

3.实验环境：6.3Mpa高纯氢气，6.3Mpa高纯氮气；实验温度为室温25℃；NaCl溶液的压力为10Mpa；

4.应力设定：实验过程施加的恒定拉应力值为0.75R

5.电化学测试：在恒拉应力下检测5h的开路电位状态，待开路电位稳定后，随继对体系进行电化学阻抗谱的测定，测试电压为0V(vs.OCP),测试频率范围为100KHz-0.01Hz；扰动电压为±5mv。

6.结果分析：

从图5的电化学阻抗谱中可以看出，待测试样在两种不同的气体环境下所呈现出的阻抗谱图的形状均为单一的半容半弧；电容半弧的直径越大，阻抗响应越高，钝化膜对样品的保护越好。实验结果表明，在气相氢环境下与模拟海水耦合介质环境下，管线钢的耐蚀性能相比于气相氮气环境的耦合介质下有所降低，表明在应力的状态下，管线钢内部的氢原子扩散到材料的外表面产生氢脆，造成外表面缺陷，加快了海水对管线钢的腐蚀进程，上述结果与本发明的实验预期一致。

二、慢应变速率拉伸实验

1.待测材料：X52低强度管线钢，沿管线钢轧制方向加工成待测试样形状，按照上述所述的实验过程对待测试样研磨、抛光和钎焊；

2.测试溶液：3.5％的氯化钠溶液，添加浓度为0.1mol/L的NaOH至溶液Ph＝7.7±0.2(25℃),溶液Ph值利用PH值测试仪计(PHS-25-2F)测定；溶氧量7mg/L；

3.实验环境：6.3Mpa高纯氢气，6.3Mpa高纯氮气；实验温度为室温25℃；NaCl溶液的压力为10Mpa；

4.拉伸设定：实验过程中控制的应变拉伸速率为5×10

5.结果分析：

从图6所示的拉伸工程拉伸应力-应变曲线图可以看出：

管线钢材料在气相氢模拟海水的耦合介质环境下，其断裂延伸率相比于氮气模拟海水的耦合介质环境下降了4％。从图6中还可以看出，气相氢环境下的管线钢材料的抗拉强度有所下降。

上述现象表明，在外加应力的条件下，管内的氢通过扩散的方式从进气孔内部扩散到外部，并在其颈缩阶段对材料产生氢脆作用，致使材料的力学性能下降，增加了材料的断裂失效风险，上述结果与电化学阻抗谱所测的腐蚀性能结果相吻合，符合预期结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。