[发明专利]一种模拟深海环境用电化学渗氢试验电解槽及应用方法

说明书

本发明提供一种模拟深海环境用电化学渗氢试验电解槽及应用方法，属于深海静水压环境下的电化学渗氢测试领域。本发明设计了一种结构轻便的模拟深海环境渗氢测试用双电解槽，可在高压、低温海水环境下进行金属材料的渗氢试验。双电解槽以及附属的测试电极均采用非承压结构，最大程度地降低了电解槽的强度要求。将双电解槽置于模拟深海环境试验舱使用时，利用双电解槽的柔性隔膜结构可以将电解槽中的试验介质与模拟深海环境试验舱中的海水介质隔绝开来，同时将模拟深海环境试验舱中的压力和温度条件传导至双电解槽内，从而在双电解槽中建立模拟深海环境条件，并实现模拟深海环境下的渗氢测试。

技术领域

本发明涉及深海静水压环境下的电化学渗氢测试领域，具体地是一种模拟深海环境下金属中氢扩散测试用双电解槽及应用方法。利用该电解槽可以有效解决深海高压低温环境下金属氢扩散系数测试等问题。

背景技术

氢对金属材料力学性能存在影响，过量的氢扩散进入金属材料后，会引起材料的脆化，在载荷作用下容易诱发材料氢致开裂，从而对工程结构的安全产生威胁。研究表明金属材料强度等级越高，氢脆敏感性越强，越容易发生氢致失效。随着我国深海开发的不断深入，深海装备迅速发展，出于安全性和经济性考虑，深海装备普遍采用高强度结构材料，如高强钢、高强不锈钢、高强钛合金等。在深海环境下，由于阴极极化作用、环境析氢，以及海洋微生物等影响，都可能造成金属结构产生表面析氢，其析氢行为还与海水压力、温度、溶解氧浓度和pH值等环境条件有关；在深海高静压作用下，金属表面产生的氢更易于向金属内部扩散，从而加剧材料脆化；另外，根据扩散理论，深海海水温度变化也会对氢在金属中的扩散产生显著影响。因此，研究金属材料在深海环境下的氢渗透和扩散行为具有重要意义。

目前国内外进行金属氢扩散测试普遍采用Devanthan-Stachurski双电解槽电化学渗氢试验方法，该方法通过在薄片状金属试样的两侧各安装一个电解槽，其中一个为充氢电解槽（或称为阴极槽），在其中加入充氢介质（海水或其他溶液），对金属试样的阴极工作面进行充氢；另一个为测氢电解槽（或称为阳极槽），其中介质通常为氢氧化钠溶液，在阳极槽监测从试样阴极工作面扩散至阳极工作面的氢通量，根据扩散的时间和试样厚度等参数计算氢在材料中的扩散系数。该方法涉及两个独立的测试环境和两种不同的试验介质，目前仅限于在常温常压条件下进行。

发明专利201810287092.4公开了一种模拟深海氢渗透试验装置，该装置通过对双电解槽进行改良，使电解槽本身具有一定承压能力，通过向电解槽内加压实现深海高压环境的模拟，但该装置对槽体和测试用辅助电极、参比电极等配件的要求极高，需要具备足够的耐压和绝缘密封性能，试样与槽体之间也需要解决绝缘和密封问题，该专利采用了O型圈和绝缘垫片进行绝缘密封，其耐压能力相对有限，难以实现高静压环境的模拟；而且在使用过程中，左右两个电解槽的压力平衡难以掌握，由于测试试样很薄（通常小于1mm），较小的压力差即可能导致试样变形或损坏，从而影响试验结果。

发明专利CN103293093B设计了一种深海应力腐蚀与渗氢实验模拟装置，该装置通过将双电解槽置于高压釜内，然后对高压釜内通入高压氮气来模拟深海压力，该方法可以有效解决电解槽、测试试样和电极的承压与绝缘密封问题，且易于操作，但该装置只实现了深海压力条件的模拟，并没有考虑海水温度、溶解氧浓度等其他深海环境参数的影响，无法真正模拟深海环境，且通入高压氮气会改变电解槽内的介质气氛，从而影响测试试样的析氢行为；另外，利用高压气瓶可实现的压力等级有限，一般不超过15MPa，无法实现更高压力的模拟，且对高压气体进行操作还存在安全方面的问题。

发明内容