外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪

摘要

本监测仪属于金属硫化应力腐蚀的监测装置，其结构由传感器和计算机组成，传感器由钯银电极和金属氧化物电极放在KOH溶液中测得之信号，然后输入给计算机，计算机输入为电流电压传换器经A/D转换器然后进入计算机，由计算机软件进行计算可实现对金属硫化应力腐蚀之判断。优点：利用标定信号对比测量，传感器直接用于测量表面，安装使用方便，可广泛应用于工业管路监测之中。

说明书

本发明涉及金属硫化应力腐蚀裂开的监测装置。

在很多工业部门中，生产系统的钢铁装置的内壁常常处于含H₂S或酸性的强腐蚀性环境中，不可避免地造成钢铁内部的腐蚀，腐蚀过程产生的原子氢，会有一部分渗入到钢铁内部，一旦氢的浓度超过一临界值，就会导致金属强度降低，发生硫化物应力腐蚀裂开(SSCC)或氢脆(HE)，导致相应装置爆炸，造成人身伤亡和巨大的经济损失，还会造成环境的污染，多次严重的事故表明，SSCC/HE是工业中危害性最大的腐蚀破坏之一。

从本质上来说，装置的SSCC也是一种氢致腐蚀裂开(HIC)，由于H₂S和其电离的HS^-、S^2-在钢铁表面强的特性吸附，使腐蚀的阴极过程产生的原子氢吸附在钢铁表面，阻碍原子氢复合成氢分子的过程，结果钢铁表面和其内部之间产生了原子氢的浓度梯度，在这一浓度梯度作用下，表面的原子氢扩散到钢铁内部，渗入到缺陷高位错部位或空隙中，并累积在应力集中部位，导致钢铁的韧性下降，脆性增加，和在张应力作用下引起钢铁的滞后断裂。

目前，国内外还没有专门用于监测钢铁装置发生SSCC/HE危险性的专用仪器，虽然国际上有一些商品型的原子氢渗透速率探测仪，例如压力式氢探测仪，″补钉式″氢探测仪，″藤壶式″氢探测仪等，但它们最大的缺点在于，没有把这些仪器测得的渗氢电流值与所用的钢材(包括基材、焊缝及热影响区)在所在腐蚀介质中的强度/脆性和装置发生SSCC/HE危险性联系起来，因而仅凭这些测量值，无法直接评价和迅速判断装置发生SSCC/HE的危险程度。

为解决以上测试仪器的不足，本发明的目的提供一种外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪，利用外置式传感器通过电子线路和计算机实现对金属硫化应力腐蚀裂开的监测。

本发明的技术方案是这样实现的：外置式硫化应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪的结构由外置式信号传感器及计算机两部分组成，其中信号传感器是以原子氧渗适速率测量传感器作为信号元件，研究确定了传感器在不同厚度的装置用钢材和不同浓度H₂S溶液中的信号输出水平，传感器的结构由图2所示，该传感器为园柱体形，外面包有镍壳体，壳体内装有0.2M KOH电解溶，电解溶中心放有高比表面高活性和电位稳定的金属氧化物粉末电极，通过镍导线与计算机联接，镍壳体外面为冷却水系统，探测端装有固定夹，与端头间装有缓冲口，缓冲口外面为钯银箔(Pd70Ag30)接触极，中间加有硅胶密封垫，传感器另一端为聚四氟乙烯堵头，中心为管道，中间加有″O″型密封圈与镍壳体联接，管道头固定有连接微机系统的双向插座，端头处为管道外壁。

计算机联接图如图1所示，前面为传感器，传感器输出通过电流电压转换器与A/D转接器输入端联接，其输出直接联接80C31中央处理器。80C31与机内存贮器2764EPROM和内存6264RAM联接，80C31同时与外部设备打印机，键盘，显示片联接；具体电路是CPU为80C31(如图5所示)地址总线输出直接联接EPROM2764、RAM6264、地址锁存器74HC373、双向多路开关74HC245及地址译码器74HC13B，双向多路开关输出联接显示片DMC162(如图4所示)，同时联接多路开关74HC273，74HC245，(U9，U15)，A/D转换器ADC0882，其中多路开关74HC245(U15)输出联接打印机，传感器：输出通过二级放大器OP-07和LM35B后输入到A/D转换器，在转换器的输入端同时提供标准电压值，转换器输出联接计算机，由于计算机提供了系统软件，有效的实现了对测试数据的计算。计算时采用信号标定：研究确定了两种装置主要用钢(UNS G10190和UNSG11180及其带焊缝材料在H₂S介质中的强度/脆性，并以此对传感器信号进行标定，确定了传感器的信号与装置用钢发生硫化物应力腐蚀裂开/氢脆脆性断裂危险性之间的对应关系，从而标定了测得的信号。

其工作原理是利用Pd₇₀Ag₃₀箔作为氧化原子氢的敏感电极，当Pd70Ag₃₀箔的外侧和设备的金属外壁接触时，由于设备处于含强的腐蚀介质中，阴极析出氢而渗入钢铁内部，这样原子氢就会自钢铁向Pd₇₀Ag₃₀箔中扩散，由此到达Pd₇₀Ag₃₀箔的内表面，当传感器的两个电极短路时，就发生原子氢的阳极氧化和金属氧化物的阴极还原，并保持传感器内碱液的总浓度不变，由此而给出的传感器的短路电流就可以作为原子氢渗透速率的直接表征。例如，假设3mm厚的脱硫装置钢A在作业时，通过实验确定，当传感器测得的信号(渗氢电流，I)大于80μA时，该脱硫装置用钢对硫化物应力腐蚀裂开敏感；当I小于50μA时，脱硫装置用钢处于安全状态；当I位于50-80μA时，处于潜在危险的状态，如果在现场进行监测时，传感器的信号输出为30μA时，脱硫装置处于安全工作状态；若信号输出值超过80μA时，则脱硫装置易发生SSCC的危险，对于后两种情况，应当在脱硫装置内部添加缓蚀剂或及时采取其它相应的措施，以保证脱硫装置的正常工作。

微机运行采用了软件系统；为实现装置SSCC/HE敏感性的现场监测和就地评估判断提供了可靠的数据依据。

本发明之优点：

1.借助于本发明人研究确定的传感器测得的渗氢电流值与装置用钢的强度/脆性之间的对应关系，标定测量信号(渗氢电流)，从而使测得的渗氢电流值直接用来评价装置的SSCC/HE敏感性。

2.本监测仪直接附着在装置外壁使用，监测仪的核心部件传感器采用Pd₇₀Ag₃₀箔作为敏感电极。

3.采用高比表面、高活性和电位稳定的金属氧化物粉末电极与Pd₇₀Ag₃₀电极在KOH溶液中构成的原电池的短路放电电流密度的稳定值作为检(监)测的初级信号，这样，可以简化通常测量所需的恒电位仪和参比电级。

4.本监测仪可以通过相应的键盘，输入条件参数：温度、钢材种类、管壁厚度及传感器电极面积等，可适合于不同工作条件下的设备SSCC/HE敏感性的监测。

本发明详细结构由以下实施例及附图给出。

图1为外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪控制方框图；

图2为外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪传感器结构图；

图3为外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪传感器管道外壁结构图；

图4为外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪计算机电原理图；

图5为外置式硫化物应力腐蚀裂开/氢脆敏感性智能监测仪计算机电原理图。

传感器之结构由图2、3所示，其标注为：1. 0.2MKOH电解液，2.钯银箔(Pd₇₀Ag₃₀)，3.氧化物粉末电极，4.镍壳体，5.硅胶密封垫，6.镍导线，7.O型圈，8.缓冲口，9.固定夹，10.接微机系统的双向插座，11.聚四氟乙烯壳体，12.冷却水系统，13.管道外壁。

在实际使用时，将传感器直接附着在管道或设备的外壁，通过键盘输入温度(℃)、管壁厚度(mm)、管壁材料、传感器电极面积(cm²)后，可对该装置进行长期监测，任一时刻都可将渗氢电流值和对SSCC/HE的判断结果直接显示或最后将全部结果打印输出。