X80管線鋼電化學充氫行為的研究冶金工程畢業(yè)設計

1、 摘 要石油、天然氣輸送管線在服役過程中,環(huán)境中的氫不可避免的進入到管線材料內(nèi)部,產(chǎn)生氫損傷。管線鋼中的氫可能導致氫脆和氫致開裂，裂紋擴展可能與進入鋼中的氫含量有關。本論文以x80管線鋼為樣品，在0.5mol/l的h2so4溶液中用電化學充氫的方法進行研究，探討試樣在不同條件下的吸收氫的規(guī)律，為后面的耦合實驗提供充氫依據(jù)。本實驗共分兩組：第一組固定充氫電流密度，改變充氫時間，研究在相同充氫電流密度下，充氫時間對氫吸收的影響。第二組固定充氫時間，改變充氫電流密度，研究在相同充氫時間下，充氫電流密度對氫吸收的影響。鋼中氫的含量主要采用排油集氣法測定,以獲得鋼中的氫含量。實驗獲得如下結(jié)果：固定充氫電

2、流密度不變，隨著充氫時間的延長，材料中的可擴散氫含量ch 逐漸增加.充氫時間達到5h時，材料中的可擴散氫含量ch 基本飽和，再延長充氫時間，氫含量的增幅很小。固定充氫時間不變，隨著充氫電流密度的增大，材料中的可擴散氫含量ch 逐漸增加，充氫電流密度達到18ma/cm2時，材料中的可擴散氫含量ch 基本飽和，再增大充氫電流密度，氫含量的增幅很小。 關鍵詞：管線鋼；電流密度；氫脆；耦合 abstractin oil, natural gas transportation pipeline service process, the hydrogen in environment inevitably

3、 enters the interior piping materials, generating hydrogen damage. pipeline steel of hydrogen could lead to hydrogen induced cracking and hydrogen, it has to do with hydrogen content in steel. the paper used x80 pipeline steel as samples, in 0.5 mol/l - h2so4 solution using electrochemical hydrogen

4、charging, to explore specimen under different conditions of hydrogen absorption and provide a basis for hydrogen in behind of coupling experiment. this experiment is divided into two groups: the first group is in changing hydrogen filling time, fixed current density of hydrogen to study under the sa

5、me current density of hydrogen, hydrogen filling time for hydrogen absorption. a second group is in changing the current density of hydrogen, fixed hydrogen charging time, to study the hydrogen filled in the same time, the current density of hydrogen effects on hydrogen absorption. hydrogen content

6、in steel mainly adopts discharge of oil gas collection method, in order to obtain hydrogen content in steel. experiments obtain the following results: fixed hydrogen charging current density is constant, as the extension of hydrogen filling time, material can be diffusion hydrogen content of ch incr

7、eased gradually. in hydrogen filling time at 5h, the material can be diffusion hydrogen content of ch basic saturated, and in extend the time of hydrogen, hydrogen content of the increase is small. fixed hydrogen charging time is constant, as the increase of current density of hydrogen, the material

8、 can be diffusion hydrogen content of ch increased gradually. in hydrogen current density reach 18 ma/cm2, the material can be diffusion hydrogen content of ch basic saturated, hydrogen and increase the current density, the increase of hydrogen content is very small. key word: pipeline steel ；curren

9、t density ；hydrogen embittrlement ；coupling 遼寧科技大學畢業(yè)設計（論文 ） 第iii頁目錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1管線鋼簡介11.1.1管線鋼用途11.1.2管線鋼的生產(chǎn)情況11.1.3管線鋼的消費狀況21.1.4管線鋼的發(fā)展趨勢31.1.5 x80管線鋼31.2管線鋼中的氫41.2.1影響管線鋼中氫含量的因素分析41.2.2管線鋼中氫腐蝕機理51.2.3管線鋼氫腐蝕致開裂的危害51.3本實驗的研究背景7第二章 x80管線鋼電化學充氫行為的研究92.1引言92.2試驗方法92.2.1實驗材料92.2.2 樣品加工和準備102.

10、2.3 實驗方案及過程102.3.實驗結(jié)果與討論122.3.1實驗結(jié)果122.3.2鋼吸收氫規(guī)律132.3.3 兩種不同情況下試樣吸收氫含量的比較13第三章 結(jié)論15致謝16參考文獻17 遼寧科技大學畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁第一章 緒論1.1管線鋼簡介 1.1.1管線鋼用途 管線鋼如圖1.1是指用于輸送石油、天然氣等的大口經(jīng)焊接鋼管用熱軋卷板或?qū)捄癜濉９芫€鋼在使用過程中，除要求具有較高的耐壓強度外，還要求具有較高的低溫韌性和優(yōu)良的焊接性能。管線鋼主要用于加工制造油氣管線。油氣管網(wǎng)是連接資源區(qū)和市場區(qū)的最便捷、最安全的通道，它的快速建設不僅將緩解我國鐵路運輸?shù)膲毫?，而且有利于保障油氣市場?/p>

11、安全供給，有利于進步我國的能源安全保障程度和能力1。 圖1.1管線鋼1.1.2管線鋼的生產(chǎn)情況目前，我國油氣輸送所使用的管線管主要由石油自然氣團體公司的6個焊管廠生產(chǎn)，它們是寶雞石油鋼管廠、貴陽石油鋼管廠、華北石油鋼管廠，遼陽石油鋼管廠，沙市石油鋼管廠，勝利石油鋼管廠等，總設計生產(chǎn)能力約為120萬t左右。生產(chǎn)的油氣管以螺旋焊管和高頻直縫焊管為主，而管徑大、管壁厚的直縫埋弧焊管的生產(chǎn)在我國時間較短。2000年，我國第一條大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線在番禺珠江鋼管公司建成，此生產(chǎn)線從澳大利亞引進，可生產(chǎn)厚壁大口徑長輸管線鋼管，鋼管外徑4571800mm，特殊規(guī)格可達3000mm，壁厚4.537mm，特

12、殊規(guī)格還可增厚，單管最長可達12m。但生產(chǎn)這種焊管所需管線用寬厚鋼板目前基本還需依靠進口。近日，日本住友金屬和住友商事又與中國石油自然氣團體公司(cnpc)下屬的寶雞鋼管廠合作生產(chǎn)石油自然氣用中徑焊接鋼管，主要生產(chǎn)油氣輸送管線的支線用焊管，產(chǎn)量可由目前的5萬噸進步到23年后的12萬噸。國內(nèi)對管線用鋼的需求以x70級為主，新線目標定位在x80級熱軋寬鋼帶和x100級寬厚板的生產(chǎn)，以適應目前10mpa和近期14mpa以上輸送壓力的設計。1.1.3管線鋼的消費狀況管線鋼主要用于加工制造油氣管線。油氣管網(wǎng)是連接資源區(qū)和市場區(qū)的最便捷、最安全的通道，它的快速建設不僅將緩解我國鐵路運輸?shù)膲毫?，而且有利于?/p>

13、障油氣市場的安全供給，有利于進步我國的能源安全保障程度和能力。同石油一樣，我國也將從境外的俄羅斯、中亞國家進口自然氣，并通過東南沿海港口進口液化自然氣（lng）。為了把這些自然氣輸送到主要的消費區(qū)域，建設輸送管線是必不可少的。目前“西氣東輸”項目已經(jīng)建成，今后還將建設的主要管線有陜京二期、中俄自然氣管線（東線、西線）、以及中亞或俄羅斯至上海自然氣管線，終極與“西氣東輸”管線形成“兩橫、兩縱”的自然氣干線。目前，原油、自然氣管網(wǎng)已經(jīng)具有相當規(guī)模，成品油輸送管道相對較少，目前僅占全部輸送量的40%，將來計劃修建3萬km，管徑在500mm左右，壁厚在10mm以下，以x65為主。未來10年，我國將建設

14、5萬km的油氣管道，均勻每年需要展設近5000km，每年自然氣管道需要鋼材近400萬t。隨著管道輸送壓力的不斷進步，油氣輸送鋼管也相應迅速向高鋼級方向發(fā)展。在國際發(fā)達國家，20世紀60年代一般采用x52鋼級，70年代普遍采用x60x65鋼級，近年來以x70為主，而國內(nèi)城市管網(wǎng)以x52、x65為主。目前國內(nèi)主干線輸氣管最大壓力為10mpa，最大直徑能夠達到10161219mm，以x65、x70應用為主，x80也有應用，但用量未幾。隨著國內(nèi)輸氣管的延長和要求壓力的進步，x70、x80將成為主流管線鋼。1.1.4管線鋼的發(fā)展趨勢 隨著石油自然氣需求量的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也不斷地增大，以增

15、加其輸送效率?？紤]到管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，還需增加管壁厚度和進步管材的強度，因此用作這類輸送管的管線鋼都向著厚規(guī)格和高強度方向發(fā)展。由于自然氣的可壓縮性，因而輸氣管的輸送壓力要較輸油管為高。近年來國外多數(shù)輸氣管道的壓力已從早期的4564mpa進步到8.012mpa，有的管道則達到了14157mpa，從而使輸氣管的鋼級也相應地進步2。目前，國外的大口徑輸氣管已普遍采用x70鋼級，x80開始進進小規(guī)模的使用階段，x100也研制成功，并著手研制x120。輸送酸性自然氣的管道用鋼目前已能生產(chǎn)到x65鋼級。21世紀是我國輸氣管建設的高峰時期。“西氣東輸”管線采用大口徑、高壓輸送管的方法。這條管線全長

16、4167km，輸送壓力為10mpa，管徑為1016mm，采用的鋼級為x70、厚度為146mm，20的橫向沖擊功為120j。這一鋼級、規(guī)格、韌性級別目前國內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)，并且質(zhì)量達到國際水平。因此，生產(chǎn)這種規(guī)格的高強度、高韌性管線鋼對我國今后采用國產(chǎn)管線鋼生產(chǎn)大口徑、高壓輸氣管具有十分重大的戰(zhàn)略意義。1.1.5 x80管線鋼 x80管線鋼的基本組織是針狀鐵素體組織3，這種組織是在較大的冷卻速度下，在溫度范圍略高于貝氏體形成溫度下的連續(xù)冷卻過程中，由于擴散和剪切變形的共同作用，形成沒有完整連續(xù)的晶界粒度參差不一的組織針狀鐵素體組織通常由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，同時基體中分布著島針狀鐵素體管線鋼主要

17、通過細晶強化、沉淀強化和相變強化保證其強度。由于微合金的添加和控制軋制和控制冷卻工藝的應用，可以保證得到細小組織。因此，以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主要組織的x80級管線鋼具有較高的抗拉強度和屈服強度。同時，針狀鐵素體管線鋼具有良好的焊接性能，其抗應力腐蝕氫誘發(fā)裂紋的能力也較高，較小的重疊尖銳組織為針狀鐵素體在掃描電鏡下可以發(fā)現(xiàn)管線鋼顯微組織體現(xiàn)出了典型的針狀鐵素體特征：晶界方向不一 ，且相互交割，晶粒細化明顯。放大觀察倍數(shù)后可以看到晶界上也有大量的位錯塞積析出粒子分布較為均勻，對針狀鐵素體板條上的高密度位錯起到了釘扎作用，提高了鋼的強度管線鋼的強韌性隨著油氣管道運行壓力與管徑的不斷增加，管道發(fā)

18、生爆裂的風險也越來越大。同時，隨著在土質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)不連續(xù)區(qū)及地震帶等地質(zhì)情況復雜地區(qū)和高寒地區(qū)鋪設的管道越來越多，對于管線鋼的應變硬化能力抗側(cè)向彎曲能力的要求也越來越高，因此管線鋼必須具有很好的低溫韌性。天然氣管線壓力的提高和對管線鋼韌性提高的要求，促使人們尋找獲得更有效的強度和韌性的組織結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已成功研制了針狀鐵素體管線鋼, 在提高其強度的基礎上，可大幅度提高韌性。針狀鐵素體管線鋼的組織也并不是100%的針狀鐵素體，而是以針狀鐵素體為主的混合組織。針狀鐵素體af又稱板條貝氏體鐵素體，在組織中成簇出現(xiàn)，構(gòu)成板條束, 每個板條束由若干個鐵素體板條組成，板條間為小角度晶界，板束間為大角度晶界。管線鋼

19、中，影響氫致開裂的主要組織是珠光體帶狀組織。因為氫致裂紋一般易沿珠光體帶狀組織擴展4，因此，減少帶狀組織-珠光體的含量, 相應地增加針狀鐵素體的含量，可以提高管線鋼的抗hic能力。圖1.2 x80管線鋼顯微組織。 圖1.2 x80管線鋼20倍金相組織1.2管線鋼中的氫1.2.1影響管線鋼中氫含量的因素分析相關資料表明5，影響鋼中氫含量的因素有原輔材料帶入的氫（如：鐵水含氫、廢鋼表面的鐵銹、鐵合金中的氫和水分、石灰、增碳劑、脫氧劑、覆蓋劑、保護渣等渣料中的水分等）、冶煉過程的增氫量（設備漏水或電極噴淋水、出鋼過程及冶煉過程與大氣接觸增氫、喂絲過程鋼水裸露增氫等）、vd 過程的脫氫效果等。由于廢鋼

20、、鐵水及鐵合金等輔助材料帶入的氫是不可避免的，目前考慮到成本因素，大部分鋼廠對鐵合金等輔助材料未進行烘烤，故生產(chǎn)此類鋼種只能考慮通過減少精煉渣及石灰的加入量來減少原輔材料帶入的氫。其次，電弧爐冶煉過程的電極噴淋水開啟過大、水冷件漏水或氧槍漏水也是影響此類鋼種vd 前氫含量高的主要因素之一。在vd 爐，提高抗hic 及sscc 管線鋼vd 過程的脫氫效果，并減少vd 后增氫是控制此類鋼種精煉終點氫含量的重要因素。1.2.2管線鋼中氫腐蝕機理 干燥的硫化氫并不會腐蝕金屬, 只有在濕硫化氫環(huán)境中金屬才會發(fā)生腐蝕。在濕硫化氫環(huán)境中將按照以下步驟進行: 石油、天然氣中的水附著于管線鋼的內(nèi)表面,硫化氫(

21、h2s) 在水中形成硫和氫的離子；fe 奪取 h 的正電荷, 成為fe2+ 及 h 原子，形成硫化鐵(fes),硫化鐵(fes)為紅褐色物體,附著于管的內(nèi)表面；h原子體積很小,根據(jù)分壓大小向鋼中擴散h原子首先聚集于非金屬夾雜物、氣孔及偏析中；在存留處,h原子變成氫氣( h2)分子,體積增大20倍，h2 體積增大過程中,存留處壓力急劇增加,如超過金屬起裂應力時會造成裂紋擴展；如存留處在管內(nèi)表面,則形成鼓泡；如在內(nèi)部則形成平行于金屬表面的裂紋,這些裂紋通常成階梯。1.2.3管線鋼氫腐蝕致開裂的危害可見，油氣輸送管線在國計民生中發(fā)揮著重要的作用。但是，由于管道內(nèi)部輸送介質(zhì)和外部埋地土壤的腐蝕，管道經(jīng)

22、常發(fā)生泄漏和斷裂事故。多年來，人們在采用防護涂層和陰極保護等措施以減少埋地管道腐蝕事故的發(fā)生方面，取得了一定的進展，但由于埋地管道腐蝕涉及的影響因素復雜多變，仍然有腐蝕失效事故的發(fā)生，同時又有新的管道腐蝕問題不斷出現(xiàn)。尤其管線鋼的應力腐蝕開裂（scc）已經(jīng)成為威脅管道安全、完整運營的主要損傷形式之一，引起了人們的特別關注。例如，1965年3月美國的路易斯安那州發(fā)生了世界第一例長輸管線的失效，導致輸送氣體的泄漏而引發(fā)大火6。 我國四川輸氣網(wǎng)在1971-1976年間，由于管道腐蝕開裂導致的爆炸、燃燒事故103起，其中1971年威-成管線由于應力腐蝕開裂引起的大爆炸、燃燒事故的直接經(jīng)濟損失達7000

23、萬，傷亡24人，給社會造成了嚴重的經(jīng)濟損失7,8。1985年至1986年的一年時間內(nèi)，在加拿大的北安大略省發(fā)生了3起管道應力腐蝕開裂事故，之后的1991年和1992年又相繼發(fā)生了2起管道的應力腐蝕開裂事故7。這引起了加拿大能源局的重視，組成調(diào)查組對加拿大境內(nèi)的管線進行了全面的調(diào)查。結(jié)果顯示從1977年發(fā)現(xiàn)管線存在應力腐蝕開裂以來到1996年共發(fā)生了22起應力腐蝕開裂事故，其中10起造成嚴重泄漏，12起造成管線斷裂9。表1.1給出了2002至2003一年內(nèi)輸送危險液體的管道發(fā)生事故的原因及造成的財產(chǎn)損失。圖1.2更加直觀的給出了造成事故原因所占的比例份額，不難看出腐蝕原因占最大的比例，達到26.

24、3%。這些事故的發(fā)生給工業(yè)生產(chǎn)和人民的生命財產(chǎn)安全造成了嚴重的損害，甚至會在破裂管道周圍造成嚴重的環(huán)境污染?？梢姡芯抗芫€鋼應力腐蝕開裂的規(guī)律及影響因素，對保證長輸管線的安全運營是非常必要和重要的。為了更好地研究管線的開裂問題，需要首先了解腐蝕的類型及前人關于管線鋼應力腐蝕方面所開展的工作。表1.1 1/1/2002-12/31/2003一年內(nèi)引起輸送危險液體管道事故的原因總結(jié)reported causenumber ofaccidents% of totalaccidentsbarrelslostpropertydamagesexcavation4115.035,220$9,207,822n

25、atural forces134.75,045$2,646,447other outside force124.43,068$2,062,535materials or weld failure4516.441,947$30,760,495equipment failure4215.35,717$2,761,068corrosion7226.357,160$18,734,697operations234.78,187$602,408other3613.119,812$8,918,974total27488.9176,156$75,694,446notes: (1) the failure da

26、ta breakdown by cause may change as ops receives supplemental informationon accidents. (2) sum of numbers in a column may not match given total because of rounding error. 圖1.2引起輸送危險液體管道失效的事故原因及所占的比例1.3本實驗的研究背景石油、天然氣是人類社會賴以生存的重要能源，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對石油和天然氣等能源的需求也日益增加，而管道輸送油氣是一種既經(jīng)濟又有效的運送方式。但從上世紀60年代開始至今，世界各

27、地先后發(fā)生多起輸氣管道爆裂事故。研究表明在管道內(nèi)部壓力和外部土壤腐蝕環(huán)境的交互作用下，管線鋼可以發(fā)生應力腐蝕開裂。管道的破裂造成了重大經(jīng)濟損失、人員傷亡和自然環(huán)境破壞等嚴重后果。明確管道在實際服役條件下的應力腐蝕開裂機理及影響因素，對于管道的防護及剩余壽命預測，減少管道開裂事故發(fā)生都有重要意義。管道的應力腐蝕開裂是在外力、腐蝕環(huán)境和材料自身缺陷三者共同作用下的結(jié)果。管道在實際服役環(huán)境中受力非常復雜，除承受內(nèi)部油氣輸送過程中所施加的周向波動應力外，還會承受土壤移動和鋪設過程中所施加的垂直于管道軸向的彎曲應力，如果管道鋪設在稍有斜坡的地段或遇到地震和泥石流等自然災害時，管道同樣會承受一定的彎曲應力

28、。可見，實際服役的管道處于復合應力的作用下，對于管道上已經(jīng)萌生的微小裂紋的擴展問題也不只是簡單的i型裂紋的擴展問題，同時存在著ii型裂紋或iii型裂紋的擴展問題。為了研究管線鋼應力腐蝕開裂過程中裂紋的擴展規(guī)律，研究者們引入了斷裂力學的研究方法10，但是人們常常將裂紋進行簡化，把復雜的裂紋按照其最危險的形式i型撕開型裂紋處理11-13。王榮14曾采用單邊裂紋試樣（i型裂紋）研究了x80管線鋼在波動載荷下裂紋擴展特性，結(jié)果表明與堿性碳酸鹽環(huán)境相比，管線鋼在中性碳酸鹽環(huán)境中具有較高的裂紋擴展速率。另外，在ns4溶液中，裂紋擴展出現(xiàn)局部準解理斷口和二次裂紋,這與氫在裂紋擴展中的作用有關。而管線鋼發(fā)生穿

29、晶應力腐蝕開裂時，其腐蝕環(huán)境中確實可以有氫離子生成15。文獻14的結(jié)果說明在穿晶應力腐蝕開裂中，由于氫離子的存在可以加速i型裂紋的擴展速率。 此外，我國西氣東輸二線干線全部采用x80鋼管，鋼管強度級別提高對氫的敏感性如何，以及在含氫離子的服役環(huán)境和復雜應力耦合作用下，這些高級別管線上一旦萌生的微小裂紋擴展速率如何變化，都將影響管道的服役壽命。因此，明確裂紋的擴展速率及氫-復雜應力間的作用機制對管道的安全運營至關重要。因此本文在實驗室條件下研究x80管線鋼在不同條件下進入鋼中氫的含量。為氫與復雜應力耦合作用下，應力腐蝕裂紋擴展速率的研究做鋪墊。第二章 x80管線鋼電化學充氫行為的研究2.1引言氫

30、致裂紋( hic) 是管線鋼在酸性環(huán)境下腐蝕的主要方式之一25，隨著管線鋼級別的增大，其成本越低，但抗hic 性能越差26。周琦等27在對管線鋼硫化氫環(huán)境臺階狀氫致開裂分析中指出，鋼中mn、p、s的含量及其偏析程度，與鋼的氫致開裂密切相關。domizzi 等28在s含量及其夾雜物分布對hic 影響的研究中指出，hic敏感性與微觀組織有關，裂紋更易在塑性較差的組織處形核與擴展。一般認為，氫致裂紋容易在鋼中的氫陷阱如夾雜物、位錯、空隙及晶界等處萌生。在排除試樣本身因素影響外，從電化學充氫實驗獲得的80管線鋼中氫含量對裂紋的影響可以直觀分析和對比環(huán)境因素的差異。但很少看到有關x80 管線鋼這方面的研

31、究。因此，本文采用電化學方法充氫，進而研究氫在x80管線鋼中在不同條件下對氫吸收的影響，為后面的耦合實驗提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。2.2試驗方法2.2.1實驗材料本實驗均采用我國自行生產(chǎn)的x80管線鋼。x80管線鋼的化學成分和力學性能分別見表2.1和表2.2。表2 .1 x80管線鋼化學成分(質(zhì)量百分比，%)cmnsispncrni0.0461.580.230.00150.0120.00330.0250.17cacutinbvmoalfe0.0030.250.0100.0660.0280.230.03297.3132表2.2 x80管線鋼力學性能ys (mpa)uts (mpa)el (%)52

32、063939 ys：屈服強度；uts：最大拉伸強度；el：延伸率 本實驗還需要的實驗器材及用品：ps-168電位儀、電火花數(shù)控線切割機床、無水乙醇、甘油、蒸餾水、量筒、繩、0.5mol/l h2so4 2.2.2 樣品加工和準備先將x80管線鋼用電火花數(shù)控線切割機床切割成50mm21mm3mm的樣品，再將樣品寬的方向上切一條深為3mm的裂紋，最后分別用400#、600#、800#、1000#砂紙由粗到細逐級打磨樣品表面，得到的樣品如尺寸及形狀如圖2.1所示。 圖2.1 初始樣品電火花數(shù)控線切割機床原理：數(shù)控電火花線切割機床是利用電火花原理，將工件與加工工具作為極性不同的兩個電極，作為工具電極的

33、金屬絲（銅絲或鉬絲）穿過工件，由計算機按預定的軌跡控制工件的運動，通過兩電極間的放電蝕除材料來進行切割加工的一種新型機床。2.2.3 實驗方案及過程電化學充氫在ps168 型恒電位儀上進行，電解液采用0.5mol/l h2so4溶液。將試樣用防水膠帶纏好，使其有效面積為4cm2，并用銅導線纏好，將準備好的試樣置于電解液中，試樣為陰極，鉑片為陽極，采用恒電流方法對試樣進行電化學充氫。充氫設備如圖2.2。 圖2.2充氫設備示意圖電化學充氫的試樣分成兩組：一組在固定充氫電流密度6ma/cm2 時，分別充氫1h、2h、3h、4 h、5h，研究在相同充氫電流密度下, 充氫時間對氫吸收的影響；另一組試樣充

34、氫電流密度分別為2 ma/cm2、6ma/cm2、10 ma/cm2、14 ma /cm2、18ma/cm2充氫時間1h，研究在相同充氫時間下，充電流密度對氫吸收的影響試 樣。以固定充氫電流密度6ma/cm2，充氫3小時為例。充氫前如圖2.3，充氫過程中如圖2.4，充氫后如圖2.5以及從燒杯取出時如圖2.6試樣變化。 圖2.3 充氫前試樣 圖2.4 充氫過程中試樣 圖2.5 充氫后試樣 圖2.6 從燒杯中取出后試樣 充氫完畢后，用蒸餾水清洗干凈，用排油集氣法測定鋼試樣中的氫含量。將充氫的試樣放入量筒中，并用塑料密封讀取甘油的液面高度, 在恒溫放置24 h 后，再讀取甘油液面高度，由兩次甘油液面

35、差計算排出氫的體積。則試樣中可擴散氫含量 ch（質(zhì)量分數(shù)，%）由公式（2.1）計算 ch = 8.9880.2 （2.1） 式中：t0為 273k；p 為實驗環(huán)境氣壓；p0為大氣壓，0. 101 mp a；t 為試驗溫度；w為試樣質(zhì)量，mg；q為氫氣密度，0. 08988 g/ l；v為擴散氫的體積，ml 2.3.實驗結(jié)果與討論2.3.1實驗結(jié)果固定充氫電流密度6ma/cm2 時，在充氫時間分別1h、2h、3h、4 h、5h得到的的數(shù)據(jù)如表2.1表2.1 固定充氫電流密度不變，改變充氫時間得到數(shù)據(jù)表編號質(zhì)量/g硫酸體積/ml試樣 面積 /cm2電流密度/ma/cm2充氫時間/h靜置前體積/ml

36、靜置后體積/ml體積差/ml質(zhì)量 分數(shù)/%120.895046134.234.280.080.00018819.275046230.330.40.130.00031318.675046336.536.670.170.00042920.945046430.530.70.20.00045619.925046534.334.50.20.00047 固定充氫時間1h，在充氫電流密度分別為2 ma/cm2、6 ma/cm2、10 ma/cm2、14 ma/cm2、18 ma/cm2 得到的數(shù)據(jù)如表2.2。 表2.1 固定充氫時間不變，改變充氫電流密度得到數(shù)據(jù)表編號質(zhì)量/g硫酸體積/ml試樣 面積 /cm

37、2電流密度/ma/cm2充氫時間/h靜置前體積/ml靜置后體積/ml體積差/ml氫含量質(zhì)量分數(shù)/%420.305042133.133.130.030.000069120.895046134.234.280.080.00018219.9750410135.235.350.150.00035519.6650414135.535.680.180.00042720.8850418133.333.50.20.00045 2.3.2鋼吸收氫規(guī)律由圖2.7可見，當充氫電流密度不變時，隨著充氫時間的延長，材料中可擴散氫含量ch逐漸增加，充氫時間達到5h時，材料中的可擴散氫含量ch 基本飽和, 再延長充氫時間,

38、 氫含量的增幅很小。由圖2.8可見當充氫時間不變時，隨著充氫電流密度的增大，材料中可擴散氫含量ch 逐漸增加，充氫電流密度達到18 ma/cm2時，材料中的可擴散氫含量ch 基本飽和，再增大充氫電流密度，氫含量的增幅很小。隨著電流密度的增加以及充氫時間的延長，材料對氫的敏感程度加大。這是因為在電化學充氫試驗中，溶液中的h+獲得電子形成氫原子吸附在材料表面，即在作為陰極的試樣表面上形成化學位梯度，充氫電流密度的變化以及充氫時間變化決定了化學位梯度的變化，增大充氫電流密度以及延長充氫時間，陰極表面的氫濃度就上升，進入材料內(nèi)部的氫含量就較高。 圖2.7 氫的質(zhì)量分數(shù)隨充氫時間變化 圖2.8 氫的質(zhì)量

39、分數(shù)隨充氫電流密度變化2.3.3 兩種不同情況下試樣吸收氫含量的比較兩種條件下試樣電化學充氫，試樣所用溶液及體積相同，試樣有效面積相同，主要區(qū)別在于一種是固定充氫電流密度，改變充氫時間；一種是固定充氫時間，改變充氫電流密度。第一種情況下隨著充氫時間的延長，試樣表面產(chǎn)生的氣泡逐漸增多且大，擴散到試樣中的氫含量逐漸增多，但增加的越來越緩慢，最后基本達到一個飽和值；第二種情況下隨著充氫電流密度的增大，試樣表面產(chǎn)生的氣泡同樣逐漸增多且大，擴散到試樣中的氫含量逐漸增多，增加的也越來越緩慢，最后基本達到一個飽和值。通過對比可知，兩種情況下試樣對氫的敏感程度基本相同，達到的飽和值也基本相同。 第三章 結(jié)論本

40、文研究了在不同充氫電流密度和充氫時間的條件下，x80管線鋼中可擴散氫的含量，其研究結(jié)果如下：1. 當充氫電流密度不變時，隨著充氫時間的延長，材料中可擴散氫含量ch逐漸增加。2. 當充氫時間不變時，隨著充氫電流密度的增大，材料中可擴散氫含量ch逐漸增加。3. 充氫時間不變充氫電流密度達到18 ma/cm2時，材料中的可擴散氫含量基本飽和。4. 充氫電流密度不變時，充氫時間為5h時，材料中的可擴散氫含量基本飽和。5. 隨著電流密度的增大和充氫時間的延長，材料表面的氣泡 參考文獻1 李鶴林. 天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個熱點問題. 石油管工程應用基礎研究論文集石油工業(yè)出版社, 2001.319.

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