第二章-電化學(xué)充氫裝置

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第二章 電化學(xué)充氫裝置本章首先從充氫方式的介紹引出了電化學(xué)充氫，其次詳細(xì)地介紹了電化學(xué)充氫的原理，經(jīng)過(guò)綜合比較，本文最后利用自行設(shè)計(jì)的充氫裝置在不同條件下的測(cè)試，得出了最佳充氫的方案。2.1充氫方式介紹臨氫環(huán)境下的材料，在運(yùn)行操作中溶解大量的氫，在停工時(shí)又從內(nèi)部逸出一定量的氫，殘留于材料內(nèi)的氫濃度將引起鋼的氫脆和開(kāi)裂。氫溶解于金屬的過(guò)程分為四個(gè)階段1，如圖2-1：（1）氣體分子向金屬表面擴(kuò)散；（2）在金屬表面上分子的吸附、分解和化學(xué)吸著；（3）由化學(xué)吸著層向晶格中的原子轉(zhuǎn)移；（4）金屬晶格中原子的轉(zhuǎn)移。圖2-1 氫在金屬中溶解時(shí)的連續(xù)階段圖Fig.2-1 The co

2、ntinuous phase of dissolved hydrogen in the metal氫從鋼中析出則由三個(gè)連續(xù)過(guò)程組成：（1）溶解的氫由金屬內(nèi)部向表面遷移（擴(kuò)散階段）；（2）原子狀態(tài)氫逸出金屬表面并形成氫分子；（3）氫分子從金屬表面解吸進(jìn)入氣相。對(duì)加氫反應(yīng)器氫脆性能進(jìn)行研究，需模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)試樣進(jìn)行充氫，常用的充氫方法有：1）室溫氣相充氫法：將試樣直接置于室溫下的高純氫中，氫將按吸附、溶解、擴(kuò)散的過(guò)程進(jìn)入試樣。根據(jù)物理、化學(xué)吸附的規(guī)律及氫溶解的規(guī)律，氫壓越高氫進(jìn)入試樣的速度越快，時(shí)間越長(zhǎng)氫進(jìn)入試樣的量越多。由于這種充氫方法，即使采用很高的氫壓能進(jìn)入材料的氫含量也只有1wppm或則更

3、低，而加氫反應(yīng)器實(shí)際氫壓在2-6wppm之間。因此室溫氣相充氫對(duì)于2.25Cr-1Mo鋼來(lái)說(shuō)不合適。2）高溫高壓充氫：高溫高壓充氫需要在高壓釜中進(jìn)行，如圖2-2所示，在高溫高壓下始終保持高壓釜內(nèi)的氫濃度，實(shí)驗(yàn)室不具備這樣的條件，而且從安全的角度來(lái)看也存在很大的隱患。高溫高壓充氫最大的問(wèn)題是，充氫結(jié)束后將試樣從高壓釜中取出需要先降溫降壓，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，等試樣可以取出時(shí)，大量的氫會(huì)從試樣中逸出，這就使試樣內(nèi)部不能保證一個(gè)固定的氫濃度。圖2-2 高溫高壓氣相充氫原理Fig.2-2 Gas hydrogen charging principles under high temperature

4、 and pressure3）化學(xué)腐蝕充氫：化學(xué)腐蝕就是將試樣泡在腐蝕溶液中，使氫原子往試樣內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，化學(xué)腐蝕充氫在實(shí)驗(yàn)室還是比較容易實(shí)現(xiàn)的，存在的問(wèn)題是化學(xué)腐蝕充氫需要進(jìn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間，這樣必然使整體實(shí)驗(yàn)的周期加長(zhǎng)，而且化學(xué)腐蝕充氫會(huì)產(chǎn)生大量的H2S氣體，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員身體傷害較大。4）電化學(xué)充氫：電化學(xué)充氫是將試樣（M）放置在電解池的陰極，鉑片做陽(yáng)極，利用電解過(guò)程的陰極效應(yīng)使氫進(jìn)入金屬內(nèi)部。電解液中電離出來(lái)的H+在陰極獲得電子，形成氫原子而吸附在陰極表面，吸附的氫原子(H·M) 一部分通過(guò)去吸附擴(kuò)散進(jìn)入試樣(即H·MM·HM+H)；另一部分在試樣表面復(fù)合成氫分

5、子，變成H2氣泡逸出電解液(即2H·MH2·MH2+ M)。電解充氫時(shí)，電解液的組分、充氫電流密度、充氫時(shí)電解液的溫度以及試樣自身的材質(zhì)狀況等對(duì)充氫的效果都有影響。因此必須確定合適的針對(duì)鉻鉗鋼材料的電化學(xué)試驗(yàn)條件。根據(jù)以上分析和前人的研究，電化學(xué)充氫具有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 可以獲得較高的氫濃度。在正常操作情況下，加氫反應(yīng)器在高溫高壓氫介質(zhì)的工作條件下，氫在鋼中的溶解度為2-6ppm水平，用電化學(xué)充氫方法，鋼中的氫濃度可以達(dá)到10ppm以上，相對(duì)其實(shí)際工況更苛刻。2） 可以控制電流大小、充氫時(shí)間、充氫溫度等條件，方便的獲得實(shí)驗(yàn)所需的氫濃度。3） 操作簡(jiǎn)單、安全隱患小，設(shè)備成本比較

6、合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)費(fèi)用低。4） 與高溫高壓充氫相比，獲得所需氫濃度的時(shí)間相對(duì)較短。以上表明，用電化學(xué)充氫方法可獲得比實(shí)際工況條件苛刻的氫濃度，更能模擬反應(yīng)器的停工狀態(tài)，故該方法更適合加氫反應(yīng)器氫脆的研究。2.2電化學(xué)充氫原理氫滲透是在金屬膜表面和金屬膜內(nèi)進(jìn)行的一系列連續(xù)過(guò)程1。它本身包括吸附、吸收、擴(kuò)散和解析過(guò)程，其步驟如下：1） 水化的氫離子從溶液中通過(guò)遷移到達(dá)陰極的雙電層；2） 水化的氫離子從溶液中通過(guò)遷移到達(dá)陰極的表面： （2-1）3） 進(jìn)行失水反應(yīng)： （2-2）4） 進(jìn)行放電反應(yīng)： （2-3）5） 原子氫吸附在金屬表面： （2-4）這里M表示陰極金屬試樣。吸附在陰極表面的原子氫有兩種

7、去向，一種是進(jìn)入試樣內(nèi)部，即68的過(guò)程；另一種是通過(guò)復(fù)合變成分子氫H2，它吸附在金屬的表面上，然后通過(guò)去吸附變成H2氣泡放出，即6*9*的過(guò)程：6） 吸附的共價(jià)型原子氫通過(guò)溶解，變成溶解型吸附原子： （2-5）7） 溶解型原子氫通過(guò)去吸附，變成溶解在金屬中的原子氫： （2-6）8）處在表面附近的原子氫通過(guò)擴(kuò)散，進(jìn)入試樣內(nèi)部： （2-7）6*）原子氫變成溶解型吸附原子： （2-8）7*）去吸附成為金屬中的間隙原子： （2-9）8*）吸附的原子氫復(fù)合成分子氫，吸附在金屬表面： （2-10） （2-11）9*) 分子氫去吸附以氫氣泡方式逸出： （2-12）2.3充氫裝置的設(shè)計(jì) 過(guò)去使用的充氫裝置2采

8、用的是單線充氫，即每條線路上只有一個(gè)試樣和鉑片。這種充氫方法具有很多其他充氫方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如充氫量大，實(shí)驗(yàn)室操作簡(jiǎn)單，電流和溫度等主要影響因素容易控制等。但是針對(duì)本文所做的研究，它也有一定的局限性和不足，單線充氫必然需要對(duì)先沖氫的試樣進(jìn)行保存，待一組試樣充氫結(jié)束后再進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用液氮保存，在保存的過(guò)程中難免會(huì)有氫的逸出，為此本文對(duì)上述裝置進(jìn)行改進(jìn)。與單線充氫裝置不同，本文采用的是串聯(lián)電路電化學(xué)充氫裝置，即將每一回路中串聯(lián)3個(gè)試樣和鉑片。在串聯(lián)電路中，電路中的電流為一個(gè)定值，這正好符合需要輸出恒定電流進(jìn)行電化學(xué)充氫的要求，具體的原理圖如下圖2-3 。由于是首次采用這樣的充氫裝置進(jìn)行電

9、化學(xué)充氫，本文對(duì)其進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，以確保其充氫的可靠性。（a）串聯(lián)電路電化學(xué)充氫裝置原理圖（b）串聯(lián)電路電化學(xué)充氫裝置實(shí)物圖圖2-3 串聯(lián)電路電化學(xué)充氫裝置Fig.2-3 Electrochemical hydrogen charging device with series circuit2.3.1試驗(yàn)裝置電化學(xué)充氫主要試驗(yàn)設(shè)備有：（1）電解槽 （2）穩(wěn)壓電源 （3）保溫桶（4）恒溫水浴鍋（5）甘油測(cè)氫儀2.3.2沖擊試樣充氫參數(shù)的測(cè)定（1）溫度的影響考慮到實(shí)驗(yàn)室充氫可操作性以及參照文獻(xiàn)3的研究，本文采用常溫下充氫。（2）充氫時(shí)間的影響采用充氫裝置對(duì)試樣進(jìn)行常溫下不同時(shí)間的充氫，電流?。?/p>

10、0.07A，數(shù)據(jù)如表2-1。表2-1不同時(shí)間下的氫含量Table 2-1 Hydrogen content in different times時(shí)間（h）5093106130.5144168氫含量（ppm）1.893.153.785.465.805.91圖2-4 時(shí)間對(duì)氫含量的影響Fig.2-4 Effects of time on hydrogen content從圖2-4來(lái)看：隨著充氫時(shí)間的增加，氫含量在不斷的增大，但是時(shí)間增加到144小時(shí)以后氫含量增長(zhǎng)的幅度基本平穩(wěn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果本文所選充氫時(shí)間為144h。（3）充氫電流的影響采用充氫裝置對(duì)試樣進(jìn)行常溫下不同電流下充氫，時(shí)間為144h，數(shù)

11、據(jù)如表2-2。表2-2不同電流下的氫含量Table 2-2 Hydrogen content in different current電流（A）0.010.020.050.070.100.12氫含量（ppm）1.511.823.215.805.915.98圖2-5電流對(duì)氫含量的影響Fig.2-5 Effects of current on hydrogen content從圖2-5來(lái)看：電流越大氫含量也越大直至達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，本文綜合考慮選擇0.07A。終上所述，沖擊試樣充氫參數(shù)為：溫度：常溫（20）；電流：0.07A；時(shí)間：144h。2.3.3俄歇試樣充氫參數(shù)的測(cè)定由于充氫電流大小和試樣的尺

12、寸有關(guān)，經(jīng)計(jì)算俄歇試樣充氫參數(shù)為溫度：常溫（20）；電流：0.02A；時(shí)間：144h。2.3.4 不同試樣充氫量的比較雖然串聯(lián)電路上的電流為恒定值，但是具體在電路不同位置的試樣充氫后的氫含量還需要進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)定。利用自制甘油測(cè)氫儀對(duì)同一串聯(lián)電路中充氫后的試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2-3。充氫參數(shù)為溫度：常溫（20）；電流：0.07A；時(shí)間：144h。表2-3 不同試樣的氫含量Table 2-3 Hydrogen content of different test samples試樣編號(hào)123氫含量（ppm）5.805.765.81通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電路上的試樣充氫量差別較小，能滿足試驗(yàn)的要求。2.4本章小結(jié)通過(guò)比較4種不同的充氫方式，本文的研究選用了電化學(xué)充氫，并且對(duì)充氫方式進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，采用串聯(lián)電路進(jìn)行電化學(xué)充氫。該方法在保證充氫濃度的同時(shí)提高了充氫的效率，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，并且充氫后的試樣無(wú)須保存，避免了氫在保存過(guò)程中逸出，更能準(zhǔn)確地反映氫對(duì)加氫反應(yīng)器材料回火脆化的影響。通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)得出最近充氫方案：（1）沖擊試樣：溫度：常溫（20）；電流：0.07A；時(shí)間：144h。（2）