高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，包括螺帽、試樣、高溫高壓陰極反應(yīng)釜、陽極析氫反應(yīng)槽和試樣座；所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜一側(cè)的側(cè)壁上沿徑向設(shè)置有密封套，所述密封套的一端位于高溫高壓陰極反應(yīng)釜的反應(yīng)腔處，而其另一端則凸伸出高溫高壓陰極反應(yīng)釜的外側(cè)壁，并與高溫高壓陰極反應(yīng)釜的外側(cè)壁之間形成密封連接；所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜的外側(cè)壁上安裝有加熱裝置；所述陽極析氫反應(yīng)槽的一側(cè)延伸至密封套的外端。本發(fā)明的裝置在試樣內(nèi)壁鍍有鎳層，由于鍍鎳層的催化作用，腐蝕過程中析出的氫能夠完全被氧化，因此測到的氧化電流即氫滲透電流能夠完全反映氫滲透行為。
【專利說明】
高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及模擬檢測金屬材料的技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]世界上很多油氣田是酸性氣田，其中含有大量的硫化氫，石油設(shè)備暴露在濕H2S環(huán)境中，并且在應(yīng)力的條件下，一方面大大增加石油設(shè)備的宏觀腐蝕，另一方面氫原子進入金屬構(gòu)件材料內(nèi)部，誘發(fā)各種形式的開裂，尤其應(yīng)力腐蝕開裂是常常發(fā)生的。隨著石油產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，油氣開采的環(huán)境日益惡劣，壓力逐漸增大，溫度逐漸升高，硫化氫含量逐漸增加；在上述嚴(yán)苛的環(huán)境中，材料在應(yīng)力作用下會對環(huán)境的作用(如氫脆、腐蝕等)更加敏感，交互式的作用會加速材料的劣化。因此對石油設(shè)備的要求也就越來越高，尤其是長期服役的油套管等設(shè)備在石油工業(yè)中的腐蝕狀況對安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。目前，滲氫量是反映材料腐蝕狀況的重要指標(biāo)，該數(shù)據(jù)與應(yīng)力腐蝕、氫致開裂和腐蝕速率等有著緊密聯(lián)系。因此，有必要研究金屬材料在其應(yīng)用環(huán)境中的氫滲透行為。
[0003]目前多采用Devnathan-Stachurski雙電解池來測量腐蝕過程中氫的滲透量，該電解池可以較好地測量靜載條件下的氫滲透電流。1962年，Devanathan和stachurski提出了一種“雙電解池”電化學(xué)方法來研究氫對金屬的滲透，其主要結(jié)構(gòu)是由金屬箔雙面電極及其兩側(cè)的兩個電解槽組成，箔的一側(cè)處于自由腐蝕或陰極充氫狀態(tài)，另一側(cè)(表面鍍了活性層催化劑Pd)則在0.1molNaOH溶液中處于陽極鈍化狀態(tài)，該方法采用恒電位儀對陽極側(cè)施加一個氧化電位，能將由充氫側(cè)擴散過來的原子氫氧化，其氧化電流密度就是原子氫擴散速率的直接度量；1973年，Deluccia和Berman通過使用Ni/N1電極代替恒電位儀作為一個穩(wěn)定的不極化電極，能夠消除用于控制陽極電位的復(fù)雜電子設(shè)備，發(fā)明了 “Barnaclc”電極；1988年，A.Turnbul I等人參照“雙電解池”技術(shù)，在陽極池中使用含H2S的溶液來分析在H2S環(huán)境中的氫擴散行為，利用氫滲透法檢測金屬材料的滲氫量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，對石油工業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的意義。但是，上述各試驗裝置都只能在常溫常壓下進行，無法模擬石油工業(yè)中的高溫高壓H2S環(huán)境。這大大限制了此項技術(shù)在石油領(lǐng)域的研究中的應(yīng)用。
[0004]不可否認(rèn)的是如果能得到在應(yīng)力件及高溫高壓條件下金屬材料在腐蝕環(huán)境中的氫滲透行為，即在一次實驗中同時得到氫滲透電流隨時間的變化、隨應(yīng)力、應(yīng)變的變化以及隨硫化氫濃度(分壓)的變化關(guān)系，就可以獲得金屬材料在該腐蝕環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性與氫滲透行為之間的關(guān)系，分析腐蝕破裂機制，便于選材和及時對材料進行保護。
[0005]因此，很有必要設(shè)計一種能在高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下進行試驗的氫滲透行為的裝置及方法，以分析高溫高壓下硫化氫在金屬材料中的腐蝕與氫滲透行為以及機理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置及方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，包括螺帽、試樣、磁耦合攪拌器、攪拌桿、葉片旋轉(zhuǎn)裝置、高溫高壓陰極反應(yīng)釜、端面法蘭、密封套筒、陽極析氫反應(yīng)槽、螺栓孔和試樣座;所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜一側(cè)的側(cè)壁上沿徑向設(shè)置有密封套，所述密封套的一端位于高溫高壓陰極反應(yīng)釜的反應(yīng)腔處，而其另一端則凸伸出高溫高壓陰極反應(yīng)釜的外側(cè)壁，并與高溫高壓陰極反應(yīng)釜的外側(cè)壁之間形成密封連接，所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜的外側(cè)壁上安裝有加熱裝置，所述密封套上設(shè)有參比電極、導(dǎo)線和輔助電極，所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜的右側(cè)安裝有兩個支管，且支管上安裝有支管密封裝置，所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜的頂端安裝有高溫高壓釜，所述高溫高壓釜上安裝有磁耦合攪拌器，所述磁耦合攪拌器的輸出軸上安裝有攪拌桿，所述攪拌桿上安裝有葉片旋轉(zhuǎn)裝置，所述陽極析氫反應(yīng)槽的一側(cè)延伸至密封套的外端，與密封套采用螺母連接，兩者之間的連接處形成試樣座，所述試樣座的兩個端面法蘭各開兩個螺栓孔；且兩個法蘭端面夾有橡膠密封墊片，所述陽極析氫反應(yīng)槽一側(cè)通過螺栓帽封堵，通過螺紋固定在陽極析氫反應(yīng)槽的殼壁上，所述陽極析氫反應(yīng)槽的上側(cè)分別設(shè)有出液口、鉑片、參比電極口及出氣口、工作電極導(dǎo)線口和輔助電極口。
[0008]一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測方法，包括以下步驟:步驟一，試樣內(nèi)壁清洗和吹干;步驟二，試樣的固定和密封;步驟三，陽極析氫反應(yīng)槽通過導(dǎo)線與電化學(xué)工作站連接;步驟四，陰極高溫高壓反應(yīng)釜的試驗條件;步驟五，試樣拉伸率的選擇和數(shù)據(jù)的記錄;其特征在于:
[0009]在所述步驟一中:將試樣內(nèi)壁工作部分面鍍鎳，鍍鎳后用無水酒精、丙酮采用超聲波清洗干凈，冷風(fēng)吹干；
[0010]在所述步驟二中:將試樣放入試樣座中，利用螺栓通過法蘭端固定，同時用橡膠密封墊圈密封；
[0011]在所述步驟三中:在陽極析氫反應(yīng)槽中加入NaOH溶液，將參比電極、輔助電極以及與試樣連接的導(dǎo)線與電化學(xué)工作站連接好；
[0012]在所述步驟四中:陰極高溫高壓反應(yīng)釜設(shè)置好試驗條件；
[0013]在所述步驟五中:將試樣兩端連接到慢應(yīng)變速率拉伸機上，選擇拉伸速率，對試樣進行拉伸，在拉伸過程中通過數(shù)據(jù)采集器用計算機連續(xù)記錄氫滲透電流。
[0014]進一步，所述試樣座之間采用密封橡膠密封，所述試樣采用板狀試樣。
[0015]進一步，所述試樣中部把陽極析氫反應(yīng)槽及陰極反應(yīng)釜隔開，試樣兩端設(shè)置成有利于拉伸機夾置形狀。
[0016]進一步，所述試樣座包含有密封套筒的外端、陽極析氫反應(yīng)槽的一端，并且包含密封橡膠，陽極析氫反應(yīng)槽的一端是發(fā)盤形式，密封套的外端也是發(fā)盤形式，并且在端面的中間部位形成凹槽，此凹槽即是試樣座。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明可測量加載條件下以及高溫高壓硫化氫環(huán)境下金屬材料腐蝕反應(yīng)而產(chǎn)生的氫的擴散電流，彌補了現(xiàn)有電解池只能測量未受力以及常溫常壓下樣品的氫滲透的不足;本發(fā)明裝置在試樣內(nèi)壁(與陽極析氫反應(yīng)槽接觸一側(cè))鍍有鎳層，由于鍍鎳層的催化作用，腐蝕過程中析出的氫能夠完全被氧化，因此測到的氧化電流即氫滲透電流能夠完全反映氫滲透行為;本發(fā)明裝置簡單，操作簡單，精度高，很少量的氫滲透量及速率的變化也能夠通過測量氫滲透電流的變化反映出來;能夠連續(xù)記錄氫滲透電流，可以比較在試樣從剛開始受力到斷裂這一過程中氫滲透電流的變化情況，進而可以繪出氫滲透速率隨應(yīng)力、應(yīng)變大小而變化的規(guī)律，為環(huán)境敏感斷裂機制的研究提供了方法。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了其使用狀態(tài)；
[0019]圖2為本發(fā)明電解池與密封套筒連接的結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了試樣的位置及工作狀態(tài)；
[0020]圖3為本發(fā)明法蘭端面形成試樣座的主視圖；
[0021 ]圖4為本發(fā)明一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測方法的流程圖；
[0022]圖中:1-螺帽；2-參比電極;3-導(dǎo)線；4-輔助電極；5-密封橡膠;6_試樣；7_加熱裝置;8-磁耦合攪拌器;9-高溫高壓釜；10-支管；11 -支管密封裝置；12-攪拌桿；13-葉片旋轉(zhuǎn)裝置;14-高溫高壓陰極反應(yīng)釜;15-出液口 I; 16-鉑片；17-參比電極口及出氣口； 18-工作電極導(dǎo)線口； 19-輔助電極口； 20-端面法蘭；21-密封套筒；22-陽極析氫反應(yīng)槽;23-螺栓孔；24-試樣座。
【具體實施方式】
[0023]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0024]請參閱圖1-4，本發(fā)明提供的一種實施例:一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，包括螺帽1、試樣6、磁耦合攪拌器8、攪拌桿12、葉片旋轉(zhuǎn)裝置13、高溫高壓陰極反應(yīng)釜14、端面法蘭20、密封套筒21、陽極析氫反應(yīng)槽22、螺栓孔23和試樣座24;高溫高壓陰極反應(yīng)釜14 一側(cè)的側(cè)壁上沿徑向設(shè)置有密封套，密封套的一端位于高溫高壓陰極反應(yīng)釜14的反應(yīng)腔處，而其另一端則凸伸出高溫高壓陰極反應(yīng)釜14的外側(cè)壁，并與高溫高壓陰極反應(yīng)釜14的外側(cè)壁之間形成密封連接;高溫高壓陰極反應(yīng)釜14的外側(cè)壁上安裝有加熱裝置7，密封套上設(shè)有參比電極2、導(dǎo)線3和輔助電極4，高溫高壓陰極反應(yīng)釜14的右側(cè)安裝有兩個支管10，且支管10上安裝有支管密封裝置11，高溫高壓陰極反應(yīng)釜14的頂端安裝有高溫高壓釜9，高溫高壓釜9上安裝有磁耦合攪拌器8;磁耦合攪拌器8的輸出軸上安裝有攪拌桿12;攪拌桿12上安裝有葉片旋轉(zhuǎn)裝置13;陽極析氫反應(yīng)槽22的一側(cè)延伸至密封套的外端，與密封套采用螺母I連接，兩者之間的連接處形成試樣座24;試樣座24的兩個端面法蘭20各開兩個螺栓孔23;且兩個法蘭端面20夾有橡膠密封墊片5;所述陽極析氫反應(yīng)槽22—側(cè)通過螺栓帽封堵;通過螺紋固定在陽極析氫反應(yīng)槽22的殼壁上；陽極析氫反應(yīng)槽22的上側(cè)分別設(shè)有出液口 15、鉑片16、參比電極口及出氣口 17、工作電極導(dǎo)線口 18和輔助電極口 19。
[0025]—種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測方法，包括以下步驟:步驟一，試樣內(nèi)壁清洗和吹干;步驟二，試樣的固定和密封;步驟三，陽極析氫反應(yīng)槽通過導(dǎo)線與電化學(xué)工作站連接;步驟四，陰極高溫高壓反應(yīng)釜的試驗條件;步驟五，試樣拉伸率的選擇和數(shù)據(jù)的記錄;其特征在于:
[0026]在所述步驟一中:將試樣內(nèi)壁工作部分面鍍鎳，鍍鎳后用無水酒精、丙酮采用超聲波清洗干凈，冷風(fēng)吹干；
[0027]在所述步驟二中:將試樣放入試樣座中，利用螺栓通過法蘭端固定，同時用橡膠密封墊圈密封；
[0028]在所述步驟三中:在陽極析氫反應(yīng)槽中加入NaOH溶液，將參比電極、輔助電極以及與試樣連接的導(dǎo)線與電化學(xué)工作站連接好；
[0029]在所述步驟四中:陰極高溫高壓反應(yīng)釜設(shè)置好試驗條件；
[0030]在所述步驟五中:將試樣兩端連接到慢應(yīng)變速率拉伸機上，選擇拉伸速率，對試樣進行拉伸，在拉伸過程中通過數(shù)據(jù)采集器用計算機連續(xù)記錄氫滲透電流。
[0031]試樣座24之間采用密封橡膠5密封;試樣6采用板狀試樣，試樣6中部把陽極析氫反應(yīng)槽22及陰極反應(yīng)釜隔開，試樣6兩端設(shè)置成有利于拉伸機夾置形狀，試樣座24包含有密封套筒21的外端、陽極析氫反應(yīng)槽22的一端，并且包含密封橡膠5，陽極析氫反應(yīng)槽22的一端是發(fā)盤形式，密封套的外端也是發(fā)盤形式，并且在端面的中間部位形成凹槽，此凹槽即是試樣座24。
[0032]—種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置及方法，使用時在試樣座24中設(shè)置待測金屬試片，并將待測金屬試片的兩端連接到慢應(yīng)變拉伸機上，以及在反應(yīng)槽中設(shè)置輔助電極4、參比電極2及工作電極導(dǎo)線口 18，并分別連接電化學(xué)工作站，通過在反應(yīng)釜及反應(yīng)槽中對應(yīng)注入含硫化氫的工況溶液及NaOH溶液，隨著對反應(yīng)釜中的硫化氫溶液進行不同溫度的加熱，可以模擬金屬材料在不同的拉伸速率以及不同壓力和溫度的工況下的氫滲透狀況，并能考察不同的拉伸速率溫度、壓力、溶液成分和H2S分壓等參數(shù)對氫滲透量的影響以及對待測金屬的腐蝕規(guī)律
[0033]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
【主權(quán)項】
1.一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，其特征在于:包括螺帽(I)、試樣(6)、磁耦合攪拌器(8)、攪拌桿(12)、葉片旋轉(zhuǎn)裝置(13)、高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)、端面法蘭(20)、密封套筒(21)、陽極析氫反應(yīng)槽(22)、螺栓孔(23)和試樣座(24);所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14) 一側(cè)的側(cè)壁上沿徑向設(shè)置有密封套，所述密封套的一端位于高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)的反應(yīng)腔處，而其另一端則凸伸出高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)的外側(cè)壁，并與高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)的外側(cè)壁之間形成密封連接，所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)的外側(cè)壁上安裝有加熱裝置(7)，所述密封套上設(shè)有參比電極(2)、導(dǎo)線(3)和輔助電極(4)，所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)的右側(cè)安裝有兩個支管(10)，且支管(10)上安裝有支管密封裝置(11)，所述高溫高壓陰極反應(yīng)釜(14)的頂端安裝有高溫高壓釜(9)，所述高溫高壓釜(9)上安裝有磁耦合攪拌器(8)，所述磁耦合攪拌器(8)的輸出軸上安裝有攪拌桿(12);所述攪拌桿(12)上安裝有葉片旋轉(zhuǎn)裝置(13)，所述陽極析氫反應(yīng)槽(22)的一側(cè)延伸至密封套的外端，與密封套采用螺母(I)連接，兩者之間的連接處形成試樣座(24)，所述試樣座(24)的兩個端面法蘭(20)各開兩個螺栓孔(23)，且兩個法蘭端面(20)夾有橡膠密封墊片(5)，所述陽極析氫反應(yīng)槽22—側(cè)通過螺栓帽封堵，通過螺紋固定在陽極析氫反應(yīng)槽(22)的殼壁上，所述陽極析氫反應(yīng)槽(22)的上側(cè)分別設(shè)有出液口(15)、鉑片(16)、參比電極口及出氣口(17)、工作電極導(dǎo)線口(18)和輔助電極口(19)。2.—種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測方法，包括以下步驟:步驟一，試樣內(nèi)壁清洗和吹干;步驟二，試樣的固定和密封;步驟三，陽極析氫反應(yīng)槽通過導(dǎo)線與電化學(xué)工作站連接;步驟四，陰極高溫高壓反應(yīng)釜的試驗條件;步驟五，試樣拉伸率的選擇和數(shù)據(jù)的記錄;其特征在于: 在所述步驟一中:將試樣內(nèi)壁工作部分面鍍鎳，鍍鎳后用無水酒精、丙酮采用超聲波清洗干凈，冷風(fēng)吹干； 在所述步驟二中:將試樣放入試樣座中，利用螺栓通過法蘭端固定，同時用橡膠密封墊圈密封； 在所述步驟三中:在陽極析氫反應(yīng)槽中加入NaOH溶液，將參比電極、輔助電極以及與試樣連接的導(dǎo)線與電化學(xué)工作站連接好； 在所述步驟四中:陰極高溫高壓反應(yīng)釜設(shè)置好試驗條件； 在所述步驟五中:將試樣兩端連接到慢應(yīng)變速率拉伸機上，選擇拉伸速率，對試樣進行拉伸，在拉伸過程中通過數(shù)據(jù)采集器用計算機連續(xù)記錄氫滲透電流。3.如權(quán)利要求1所述的一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，其特征在于，所述試樣座(24)之間采用密封橡膠(5)密封，所述試樣(6)采用板狀試樣。4.按權(quán)利要求1所述的一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，其特征在于:所述試樣(6)中部把陽極析氫反應(yīng)槽(22)及陰極反應(yīng)釜隔開，試樣(6)兩端設(shè)置成拉伸機夾置形狀。5.按權(quán)利要求1所述的一種高溫高壓硫化氫環(huán)境及應(yīng)力條件下氫滲透檢測裝置，其特征在于:所述試樣座(24)包含有密封套筒(21)的外端、陽極析氫反應(yīng)槽(22)的一端，并且包含密封橡膠(5)，陽極析氫反應(yīng)槽(22)的一端是發(fā)盤形式，密封套的外端也是發(fā)盤形式，并且在端面的中間部位形成凹槽，凹槽即是試樣座(24)。
【文檔編號】G01N17/02GK105842149SQ201610154661
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】張智, 劉志偉, 周澤宇, 段杰浩, 鐘顯康, 侯鐸, 扈俊穎, 曾德智, 孔維偉, 周琛洋, 何雨, 施太和
【申請人】西南石油大學(xué)