基本信息
- 项目名称：
- 用于检测钢体损伤的氢渗透传感器的关键技术研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 设计了一种双电解质氢渗透传感器。双电解质是由胶状电解质和单流动性KOH电解质组成.实验结果表明：当胶状电解质中聚合物的含量为50wt%，该电解质具有最佳性能；在室温下，所设计的传感器具有良好的稳定性、重复性。
- 详细介绍：
- 设计了一种由胶状电解质和KOH溶液组成的双电解质电流型氢渗透传感器，用它测定钢体设备腐蚀所产生的氢原子的渗透速率，评估钢体设备的氢腐蚀程度。双电解质是由胶状电解质和单流动性KOH电解质组成，胶状电解质则由聚丙烯酸钠（PAAS）、羧甲基纤维素（CMC）和0.2 moldm-3KOH溶液配制而成。实验结果表明：当胶状电解质中聚合物（PAAS和CMC组成的混合物）的含量为50wt%时，该电解质具有适合的粘度和较高的导电性；分别用双电解质氢渗透传感器和KOH溶液电解质氢渗透传感器来研究氢渗透性能，可测得一致的氢渗透曲线。在室温下，所设计的氢渗透传感器具有良好的稳定性、重复性。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写的目的：许多重要的工业过程和工程结构所用钢体设备因为原子氢的渗入而发生氢损伤，并引发突发性恶性破坏事故，基于上述背景，故作此研究。基本思路：本项目采用电化学渗氢原理，设计一种双电解质氢渗透传感器。利用氢渗透传感器、电化学工作站、电脑等组成电化学渗氢测试系统，检/监测渗入钢体中的原子氢的渗透速率，作为钢体等金属材料由于渗氢而导致的氢致裂开敏感性的基本判据，从而达到实时在线检测的目的。
科学性、先进性及独特之处
- 本文研究的是有关智能型原子氢探测技术，实时在线智能化的氢渗透传感器是该领域国内外前沿课题；氢渗透传感器能实时在线检测的渗氢电流、检测/监测钢铁等金属物质的氢腐蚀的速率及原子氢在钢等金属材料中的浓度分布以及氢致裂开的危险性通过电脑显示氢的积集所发生腐蚀破坏的情况，达到实时在线评价和判断氢致裂开危险性；氢渗透传感器灵敏度高成本低，在国内存在相当大的市场, 此技术在石化和油气等工业部门普遍需要。
应用价值和现实意义
- 氢渗透传感器在国内存在相当大的需求市场, 这种技术在石化和油气等工业部门普遍需要，对及时发现事故隐患，籍以优化调控工况条件和工艺参数, 避免因此而诱发的早期氢致裂纹和恶性破坏事故，避免产生巨大的经济损失和严重的社会后果，有重要的技术以及经济意义。本技术被开发后, 能够产生很显著的社会经济效益。
学术论文摘要
- 设计了一种由胶状电解质和KOH溶液组成的双电解质电流型氢渗透传感器，用它测定钢体设备腐蚀所产生的氢原子的渗透速率，评估钢体设备的氢腐蚀程度。双电解质是由胶状电解质和单流动性KOH电解质组成，胶状电解质则由聚丙烯酸钠（PAAS）、羧甲基纤维素（CMC）和0.2 moldm-3KOH溶液配制而成。实验结果表明：当胶状电解质中聚合物（PAAS和CMC组成的混合物）的含量为50wt%时，该电解质具有适合的粘度和较高的导电性；分别用双电解质氢渗透传感器和KOH溶液电解质氢渗透传感器来研究氢渗透性能，可测得一致的氢渗透曲线。在室温下，所设计的氢渗透传感器具有良好的稳定性、重复性。
获奖情况
- 获第九届“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛三等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]H.C. Ng, R.C. Newman, Amperometric hydrogen permeation measurement in iron using solid polymer electrolyte fuel cells. Corros. Sci. 47 (2005) 1197–1210. [2]H.B. Freeman, Hydrogen Monitoring Apparatus, US patent No. 5279169, 1994. [3]D.R. Morris, L. Wan, A solid state potentiometric sensor for monitoring hydrogen in commercial pipeline steel. Corrosion. 51 (1995) 301–311. [4] N.Maffei, A.K. Kuriakose, A hydrogen sensor based on a hydrogen ion conducting solid electrolyte, Sens. Actuators B. 56 (1999) 243–246. [5]G. Y. Lu, N. Miura, N. Yamazoe, Mixed p otential hydrogen sensor combining oxide ion conductor with oxide electrode, J. Electrochem.Soc. 143 (1996) L154–L155.
同类课题研究水平概述
- 目前在工业上，有三类原场氢传感检测探针：压力型、真空型和电化学型。（1）最简单的是压力型氢传感器。随着钢壁的腐蚀，一部分氢由钢管的内壁向外壁渗透，最后在探头的测压器内壁复合成氢分子，从而导致在钢壁的外壁与测压器的内壁之间形成一个密封的空腔。为了让操作能够连续进行，需要定期的释放空腔中的压力，这就是这类传感器的一个缺陷。另外，对于所积累的氢是否能减少氢在动力学上的损失，目前仍然无法确定。（2）精密的真空型氢传感器被开发出来旨在解决上述问题，然而复杂的硬件设备和高真空条件，在检测过程中是不切实际的。（3）在各种各样的氢传感器中，电化学传感器由于其独特的优点受到越来越多的关注。电化学氢传感器有电压型和电流型两类，电压型电化学氢传感器有一个宽动态检测范围，但是它对信号的响应呈对数关系，导致它的精准度不高。而电流型氢传感器对信号的响应呈线性关系，因此它具有较高灵敏度。传统的氢传感器使用的都是碱性电解质，这种装置在设计上显得很累赘，而且电解液很容易泄漏。后来这种装置被改进过，使用的是海绵凝胶电解质，琼脂凝胶电解质，浸渍的牛皮纸或者高分子电解质（SPE），但是高分子电解质仅仅在高温时才有高导电性;而胶状电解质由于水分的蒸发，很难保证传感器的长期使用。基于DS电化学工作原理，余刚等设计了一种新型氢传感器，用于检测氢原子的渗透速率。它是一个源于DS阳极室的密封电化学池，一块银钯合金薄膜被用作氢氧化的阳极活动窗口，金属氧化物作为阴极材料，稀KOH溶液用作电解质。使用该传感器时，银钯合金薄膜紧贴设备壁表面，它们之间的缝隙用一层真空凝胶密封。这种电化学传感器的结构：Pd-Ag合金薄膜（氢原子）|碱性电解质| 金属氧化物，通过检测闭合回路中的放电电流可以反映出原子氢的扩散速率。但是在检测过程中，为了不触碰到传感器的内部，导致银钯合金不能被牢牢地粘到钢壁的表面，以致氢从传感器与钢壁表面之间的缝隙泄露出去。因此，这种传感器在使用前需要实验校正。综上所述，氢渗透传感器的发展趋势是：由压力、高真空技术向燃料电池技术转变；由单电解质向多电解质发展；由原场检测离线式向实时智能在线式转型；倡导节能环保，降低生产成本。单电解质氢渗透传感器的优点是响应电流的速率快，灵敏度高。但是它的缺点是密封性差，在检测过程中容易泄漏电解质和原子氢，故在检测时需要校正。
