甘油法测定扩散氢教学课件

甘油法测定扩散氢甘油法测定扩散氢甘油法测定扩散氢甘油法测定扩散氢辽宁石油化工大学辽宁石油化工大学LNPULNPULNPULNPULNPU2 2、氢的产生及来源氢的产生及来源 由于焊接方法不同，导致氢向金属中溶解的途径也不相同。对于手弧焊，氢主要以两个途径进入焊缝金属中。氢通过气相与液相金属的界面以原子或质子的形式被吸附后溶入金属中。氢是通过熔渣层以扩散形式溶入金属中。焊接时，氢主要来源于焊接材料中的水分，含氢物质，电弧周围空气中的水蒸气和母材坡口表面上的铁锈油污等杂质。LNPU3 3、焊接接头氢的瞬间分布于扩散焊接接头氢的瞬间分布于扩散焊焊缝缝金金属属中中的的氢氢含含量量，因因扩扩散散的的缘缘故故是是随随时时间间变变化化的的，在在接接头头不不同同部部位位，因因存存在在不不同同塑塑性性变变形形量量，而而有有不不同同的的位位错错密密度度，这这样样将将捕捕捉捉到到不不同同量量的的氢氢。研研究究表表明明，在在焊焊根根及及焊焊趾趾等等有有缺缺口口效效应应部部位位往往往往存存在在氢氢的的聚聚集集，将将直直接接影影响响冷冷裂裂纹纹的的产产生生。同同时时还还表表明明，氢氢的的聚聚集集开开始始于于焊焊后后约约6060秒秒（室室温温下下板板厚厚2020mmmm）约约冷冷至至100100150150，在在焊焊后后1 12 2小小时时达达到到最最大大值值之之后后逐渐耗散。逐渐耗散。氢氢在在不不同同的的金金属属中中具具有有不不同同的的扩扩散散性性能能，这这可可用用一一个个扩扩散散系系数数d d表表示示，且且d d是是一一个个随随温温度度变变化化的的量量。在在7878200200温温度度范范围内，氢在钢中的扩散系数围内，氢在钢中的扩散系数d d与温度具有如下关系：与温度具有如下关系：对于同一种金属的不同组织结构而言，氢也具有不同的扩散对于同一种金属的不同组织结构而言，氢也具有不同的扩散性能，下表所列为钢的不同组织中氢的扩散性能。性能，下表所列为钢的不同组织中氢的扩散性能。LNPU组织扩散系数铁素体（F）珠光体（B）索氏体（S）贝氏体（B）马氏体（M）奥氏体（A）（cm2/s）4.010-73.510-73.210-72.510-72.110-12LNPU式中【式中【H】扩扩标准状态下标准状态下100g熔敷金属中的扩散氢含量。熔敷金属中的扩散氢含量。V集气管中收集的扩散氢气量；集气管中收集的扩散氢气量；P0标准大气压（标准大气压（760mmHg）P试验环境大气压；试验环境大气压；T0标准大气的温度（标准大气的温度（273K）；）；T集气管内的温度（集气管内的温度（K）；）；G0试件原始重量（试件原始重量（g）G试件焊后的重量（试件焊后的重量（g）LNPU(4)、扩散氢的测量、扩散氢的测量目目前前，扩扩散散氢氢的的测测定定方方法法有有三三种种，即即甘甘油油法法，水水银银法法和和气气相相色色普普法法。目目前前，我我国国将将甘甘油油法法和和气气相相色色普普法法等等同同起起来来使使用用。三三种种测测试试方方法法各各有有优优劣劣。本本实实验验是是针对甘油法进行，对其他两种方法作一简介。针对甘油法进行，对其他两种方法作一简介。由由于于扩扩散散氢氢的的含含量量很很少少，因因此此常常用用气气体体排排液液法法把把扩扩散散氢氢收收集集到到一一个个密密闭闭的的集集气气管内测量。如图管内测量。如图1所示所示LNPU由由金金属属表表面面扩扩散散溢溢出出的的微微小小氢氢气气泡泡必必须须通通过过收收集集介介质质浮浮升升到到集集气气管管顶顶部部，为为使使氢氢气气泡泡通通过过介介质质时时不不至至于于对对测测量量结结果果有有影影响响，必必须须要要求求介介质质具具有一定的物理和化学性能。有一定的物理和化学性能。具具体体要要求求是是：对对氢氢的的溶溶解解度度较较小小，具具有有低低的的蒸蒸汽汽压压力力，化化学学稳稳定定性性好好，对对人人体体无无害害和和液液体体的的粘粘度值低及价格便宜。度值低及价格便宜。目目前前所所用用的的介介质质有有：甘甘油油，石石蜡蜡油油，酒酒精精，水水银银。20molK2CO3以及硅油等。以及硅油等。甘甘油油和和石石蜡蜡油油的的主主要要缺缺点点是是粘粘度度大大；水水银银有有害害于于人人体体健健康康，且且价价格格昂昂贵贵；酒酒精精则则可可能能溶溶解解氢氢且且容容易易挥挥发发，因因此此，没没有有一一种种介介质质能能完完全全满满足足要要求。求。LNPU甘甘油油是是国国内内和和日日本本广广泛泛应应用用的的介介质质，主主要要在在于于操操作作简简单，国际上多采用水银，但需重视两个方面：单，国际上多采用水银，但需重视两个方面：收集器需特殊设计，防止试件浮在水银表面。收集器需特殊设计，防止试件浮在水银表面。操作时要严格防止水银蒸汽外溢，以防中毒。操作时要严格防止水银蒸汽外溢，以防中毒。甘甘油油因因其其粘粘度度大大，使使氢氢气气泡泡的的上上浮浮条条件件及及浮浮升升速速度度都都较较水水银银介介质质差差，且且又又因因部部分分微微小小的的气气泡泡悬悬浮浮在在甘甘油油中中或或粘粘附附于于工工件件表表面面和和集集气气管管壁壁，而而不不能能浮浮升升到到集集气气管管顶顶部部影影响响测测量量结结果果。特特别别对对于于一一些些低低氢氢或或超超低低氢氢状状况况的的测测量量。针针对对这这一一问问题题，天天津津大大学学从从收收集集方方式式加加以以解解决，克服了精度低的弊端，如图决，克服了精度低的弊端，如图2所示。所示。LNPULNPU有有关关研研究究表表明明：甘甘油油法法测测氢氢与与水水银银法法测测氢氢结结果果存在如下关系式存在如下关系式天大甘油测法与国标甘油测法存在如下关系天大甘油测法与国标甘油测法存在如下关系LNPU甘油法测试方法甘油法测试方法将将测测的的扩扩散散氢氢体体积积（ml）首首先先换换算算称称标标准准状状态态下下的的氢氢气气体体积积，再再算算出出100g熔熔敷敷金金属属中中析析出出的的扩扩散散氢氢含含量量，其计算公式如下：其计算公式如下：LNPUII甘油法扩散氢测定的评定标准甘油法扩散氢测定的评定标准评定标准熔敷金属中含氢量评定标准熔敷金属中含氢量高15低10但5中15但10很低5LNPU测定扩散氢的技术条件测定扩散氢的技术条件GB396583试板要求试板要求编编号号标准标准试验材料试验材料材料热处理材料热处理试件尺试件尺寸寸引、收弧引、收弧板板IGB396583试件材质试件材质与试验焊与试验焊条强度等条强度等级相近级相近650保温保温1小小时或时或25010保温保温6 68 8小时小时随炉冷却随炉冷却1302512有有试试片片数数焊条焊条焊接规范焊接规范入水前入水前时间时间型号型号直径直径U(V)I(A)堆焊长度堆焊长度/消耗焊条消耗焊条长度长度4E43034.02125推荐值推荐值+15115/15024E50154.02123同上同上115/1502测定扩散氢的技术条件测定扩散氢的技术条件GB396583焊条要求焊条要求LNPU注：试验前焊条按生产厂的规定烘干，但不允许重复烘干使用；在试验前，试样应去除氧化皮和铁锈，用乙醇去水，丙酮去油，清洗后的试样不得接触油，水等物，随后进行编号。极性选择按说明书规定，交直流两用的焊条采用交流焊接LNPUKQ3型测氢仪的工作原理及使用方法型测氢仪的工作原理及使用方法该该仪仪器器专专用用甘甘油油法法恒恒温温收收集集和和测测定定熔熔敷敷金金属属中中扩扩散散氢氢量量，可可以以同同时时进进行行十十二二个个试试样样的的扩扩散散氢氢量量的的测测定定。该该装装置置能能保保持持甘甘油油的的温温度恒定，并有控制温度的度恒定，并有控制温度的“报警报警”和和“切断切断”装置。装置。装置电路如下图所示。装置电路如下图所示。电热丝阻电热丝阻R工甘油加热用，电流受到可控硅工甘油加热用，电流受到可控硅SCR12的控制。的控制。甘油的温度是由水银触电温度计去控制可控硅的导通或关断来实甘油的温度是由水银触电温度计去控制可控硅的导通或关断来实现自动恒温调节。当甘油的温度达到给定值现自动恒温调节。当甘油的温度达到给定值45时，接点温度计时，接点温度计的接点导通，使单结晶体管的接点导通，使单结晶体管DGDG的发射极短路，的发射极短路，DGDG停止导通，则脉停止导通，则脉冲变压器无脉冲输出，可控硅即被关断而停止加热，反之，可控冲变压器无脉冲输出，可控硅即被关断而停止加热，反之，可控硅被触发导通，对甘油加热，这样能保持甘油的温度恒定。硅被触发导通，对甘油加热，这样能保持甘油的温度恒定。图图右右侧侧部部分分为为故故障障报报警警部部分分的的电电路路，如如果果可可控控硅硅元元件件被被击击穿穿而而甘甘油油温温度度继继续续升升高高，当当升升到到4848时时温温度度计计WJWJ2 2触触点点导导通通，可可控控硅硅SCRSCR3 3导导通通，电电铃铃DLDL进进行行报报警警，如如在在夜夜间间，可可置置于于“关关断断位位置置，以防止发生事故。以防止发生事故。LNPU测氢仪工作原理图测氢仪工作原理图测氢仪工作原理图测氢仪工作原理图LNPU使用方法：使用方法：把把温温度度计计上上边边的的磁磁顶顶丝丝放放松松，把把温温度度计计调调至至4545上上，把把报报警温度计调至警温度计调至4848上。上。把把“控控制制”部部分分断断开开，再再把把“报报警警切切断断”至至于于“报报警警”位置，用一根小导线将两个报警端短路，试验电铃是否响。位置，用一根小导线将两个报警端短路，试验电铃是否响。把把仪仪器器平平放放于于工工作作台台上上，油油槽槽内内注注入入甘甘油油，油油位位线线应应在在两两接接线线柱柱以以下下10102020mmmm处处为为宜宜。开开关关照照明明开开关关，日日光光灯灯关关亮亮，表表示示已已接接通通电电源源，开开启启电电源源开开关关，绿绿色色和和红红色色两两个个指指示示灯灯量，表示电热丝已经开始工作，油温开始上升。量，表示电热丝已经开始工作，油温开始上升。带油温升值带油温升值4545并保持稳定，即可开始进行测氢试验。并保持稳定，即可开始进行测氢试验。LNPU一、一、焊缝金属扩散氢测定新技术简介焊缝金属扩散氢测定新技术简介气气相相色色普普法法测测定定扩扩散散氢氢是是一一个个新新技技术术，现现已已被被国国家标准所采纳，正被日渐推广，它具有如下特点：家标准所采纳，正被日渐推广，它具有如下特点：1、快快速速、灵灵活活、精精度度高高，测测定定范范围围宽宽，而而且且可可排排除除由由于于各种原因混入的空气的干扰，测定结果精确可靠。各种原因混入的空气的干扰，测定结果精确可靠。2、在在高高氢氢测测定定范范围围和和超超低低氢氢测测定定范范围围都都具具有有良良好好的的精精度度和准确度。和准确度。3、不存在任何环境污染和毒害操作者的物质。、不存在任何环境污染和毒害操作者的物质。LNPU（一）、气相色普法测定原理（一）、气相色普法测定原理利利用用不不同同物物质质在在两两相相中中具具有有不不同同的的分分配配系系数数（或或吸吸附附系系数数、渗渗透透性性），当当两两相相物物质质作作相相对对运运动动时时，这这些些物物质质在在两两相相中中进进行行多多次次反反复复分分配配而而实实现现分分离离的的，因因流流动动相相为为气气体体，故称气相色普法。故称气相色普法。LNPU（二）、气相色普法测氢过程（二）、气相色普法测氢过程用用纯纯氩氩气气作作为为载载气气（流流动动相相）将将取取样样器器试试样样桶桶内内的的氢氢器器（由由熔熔敷敷金金属属试试样样中中扩扩散散出出来来的的）载载入入色色谱谱分分离离注注中中进进行行分分离离，分分离离出出的的氢氢被被进进一一步步载载入入热热导导池池进进行行检检测测，热热导导池池检检出出的的氢氢的的电电信信号号经经放放大大、积积分分和和灵灵敏敏度度调调整整等处理后，在数字电压表上显示被测氢的量。等处理后，在数字电压表上显示被测氢的量。LNPU（三）、（三）、HD3型扩散氢测定仪的构型扩散氢测定仪的构成、工作条件和校正成、工作条件和校正HD3型扩散氢测定仪由取样器和专用气相色谱仪构成。型扩散氢测定仪由取样器和专用气相色谱仪构成。取取样样器器有有试试样样桶桶和和转转换换阀阀组组成成，试试样样桶桶共共有有5个个，与与转转换换阀阀之之间间有有通通道道连连接接，每每个个试试样样桶桶中中可可装装入入一一块块402512（mm）的的试试板板，其其中中四四个个试试桶桶中中分分别别装装入入一一块块待待分分析析试试板板，而而另另一一个个试试样样桶桶用用来来作作为为气气相相色色谱谱仪仪的的载载气气通通路路，此此桶桶中中装装入入一一块块以以分分析析过过的的试试板板，目目的的在在于于使使仪仪器器在在校校正正和和分分析析时时处处于于同同样样的的气气路路状状况况，提高分析的准确度。提高分析的准确度。LNPU专用气相色谱仪专用气相色谱仪典型的气相色谱仪由五个部分组成：典型的气相色谱仪由五个部分组成：载气系统，包括气源和流量的调节与测量元件等载气系统，包括气源和流量的调节与测量元件等进样系统：包括取样器；进样系统：包括取样器；分离系统：主要是色普柱；分离系统：主要是色普柱；检测、记录系统，包括检测器和记录器；检测、记录系统，包括检测器和记录器；辅助系统辅助系统;包括温控系统、数据处理系统等。包括温控系统、数据处理系统等。LNPU这里着重讲一下分离系统和检测、记录系统。这里着重讲一下分离系统和检测、记录系统。色色谱谱柱柱是是色色谱谱仪仪的的分分离离系系统统，试试样样中中各各组组分分的的分分离离是是在在色色谱谱柱柱中中进进行行，因此是核心部分。因此是核心部分。色色谱谱柱柱主主要要有有两两类类:填填充充柱柱和和毛毛细细管管柱柱。现现就就HD3型型中中用用的的分分离离柱柱（填充柱）说明（填充柱）说明填填充充柱柱由由柱柱管管和和固固定定相相组组成成，柱柱管管材材料料为为不不锈锈钢钢（或或玻玻璃璃），内内径径为为24mm（HD3为为5mm），长长为为13m（2.5m）,柱柱内内装装有有固固定定相相（包包括括固固体体固固定定相相和和液液体体固固定定相相两两种种）HD3型型中中填填充充3040目目5A分分子子筛筛固固体体吸吸附附剂剂。主主要要用用于于惰惰性性气气体体、H2、O2、N2、CO2、CH4等等一一般般气气体体及及低低沸沸点点有有机机物物的的分分析析，其其特特点点是是：吸吸附附容容量量大大，热热稳稳定定性性好好，价价格格便便宜宜，但但柱柱效效低低，吸吸附附活活性性易易中中毒毒。因因此此使使用用前前要要进进行行活活化化处处理理，然然后后再再装装入入柱柱内内制制成成填填充充柱柱使使用用。或或化化处处理理方方法法：粉粉碎碎过过筛筛在在550600烘烘烤烤4小时。小时。LNPU检测系统：检测系统：从从色色谱谱柱柱流流出出的的各各个个组组分分，通通过过检检测测器器把把浓浓度度信信号号变变成成电电信信号号，经经放放大大后后送送到到记记录录器器得得到到色色谱谱图图。HD3型型仪仪所所用用检检测测器器为为热热导导检测器。检测器。热热导导检检测测器器（TCD）由由热热导导池池池池体体和和热热敏敏元元件件组组成成。热热敏敏元元件件是是两两根根电电阻阻值值完完全全相相同同的的金金属属丝丝（钨钨丝丝或或铂铂丝丝），作作为为两两个个臂臂接接入入惠惠斯斯顿顿电电桥桥中中，由由恒恒定定的的电电流流加加热热。如如果果热热导导池池只只有有载载气气通通过过，载载气气从从两两个个热热敏敏元元件件带带走走的的热热量量相相同同，两两个个热热敏敏元元件件的的温温度度变变化化是是相相同同的的，其其电电阻阻值值变变化化也也相相相相同同，电电桥桥处处于于平平衡衡状状态态。如如果果样样品品气气混混在在载载气气中中通通过过测测量量池池，由由于于样样品品气气和和载载气气热热导导系系数数不不同同，两两边边带带走走的的热热量量不不相相等等，热热敏敏元元件件的的温温度度和和阻阻值值的的变变化化也也就就不同，从而使得电桥失去平衡，记录器上就有信号产生。不同，从而使得电桥失去平衡，记录器上就有信号产生。被被测测物物质质与与载载气气的的热热导导系系数数相相差差约约大大，灵灵敏敏度度也也就就愈愈高高，载载气气流流量和热丝温度对灵敏度也有较大的影响。量和热丝温度对灵敏度也有较大的影响。HD3型型采采用用钨钨丝丝热热导导池池，电电阻阻为为4100，测测量量电电桥桥工工作作电电流流为为45mA。LNPU仪器校正仪器校正仪仪器器用用纯纯氩氩进进行行校校正正，通通过过仪仪器器内内装装的的校校正正阀阀将将纯纯氩氩引引入入色色谱谱仪仪测测量量系系统统。引引入入的的校校正正氩氩的的量量即即校校正正阀阀计计量量腔腔的的容容积积。经过温度和压力校正后的值，按下式算出：经过温度和压力校正后的值，按下式算出：式中式中V0校正氩气在标准状况下的体积，校正氩气在标准状况下的体积，mlP1大气压大气压PaT1室温室温V1校校正正氩氩气气载载室室温温和和大大气气压压下下的的体体积积，即即校校正正阀阀计计量量腔腔容容积，积，mlT0273KP0101325Pa校正时数字电压表上显示出的值应是校正时数字电压表上显示出的值应是V0的数值的数值LNPULNPU一、一、实验实验方法及步骤方法及步骤测氢试验的基本操作过程和步骤如下：测氢试验的基本操作过程和步骤如下：焊焊前前准准备备焊焊接接水水冷冷清清洗洗吹吹干干并并放放入入气气体体收集器。收集器。焊焊 前前 准准 备备 将将 尺尺 寸寸 为为 2013012的的 试试 件件 和和402012的的引引、收收弧弧预预先先在在25010加加热热6 68 8小小时时作作去去氢氢处处理理，然然后后清清理理表表面面，去去除除氧氧化化物物，用用乙乙醇醇去去水水，乙乙谜谜去去油油，吹吹干干冷冷却却。把把每每个个试试件件打打钢钢印印编编号号，然然后后用用感感量量为为0.10.1g g的的天天平平称称出出试件的原始重量试件的原始重量G G0 0。LNPU焊接焊接 将将试试件件和和引引、收收弧弧板板放放在在试试件件夹夹具具台台上上准准备备焊焊接接。焊焊接接过过程程中中尽尽可可能能采采用用短短弧弧焊焊，绝绝不不允允许许中中歼歼灭灭弧弧，以以免免产产生生弧弧坑。如果发生灭弧，则试件作作废。坑。如果发生灭弧，则试件作作废。焊接规范，见前面技术要求。焊接规范，见前面技术要求。LNPU水冷水冷 停停焊焊后后2 2秒秒内内立立即即将将试试件件投投入入0 02020的的水水中中急急冷冷，并并摆摆动动试试件件，避避免免局局部部温温度度过过高高，1010秒秒后后取出。取出。LNPU清洗清洗 试试件件从从水水中中取取出出后后，迅迅速速清清除除焊焊渣渣及及其其它它脏脏物物，然然后后用用铁铁锤锤敲敲断断引引弧弧和和收收弧弧板板，把把中中间间的的一段试件擦干并用酒精去水，乙谜去油。一段试件擦干并用酒精去水，乙谜去油。LNPU吹干和放入气体收集器吹干和放入气体收集器将将去去水水何何除除油油的的试试件件擦擦净净并并吹吹干干（注注意意吹吹干干时时，一一定定要要用用冷冷风风，以以免免焊焊缝缝中中氢氢的的溢溢出出）。把把试试件立即放入气体收集内。件立即放入气体收集内。试试件件从从焊焊完完到到放放入入收收集集器器的的全全部部操操作作过过程程，要要求求在在6060秒秒内内完完成成。试试件件在在4545恒恒温温下下放放值值7272小小时时，便便可可认认为为扩扩散散氢氢已已大大致致全全部部溢溢出出。根根据据集集气气管管中中甘甘油油柱柱的的液液面面随随对对应应的的刻刻度度，就就刻刻读读出出扩扩散散氢氢量量V V0 0,这这时时，要要记记录录恒恒温温集集气气箱箱的的温温度度T,T,试试验验现现场场的的气气压压P P0 0,把把试试件件从从收收集集器器中中取取出出，清清洗洗干干净，吹干，称出试件重量净，吹干，称出试件重量G G1 1。根据前述的公式，计算出根据前述的公式，计算出 HH扩扩。LNPU 为了了解工艺因素对为了了解工艺因素对 HH扩扩的影响，实验应包括以下内容。的影响，实验应包括以下内容。LNPU七、实验结果的整七、实验结果的整理和分析理和分析实验可分组进行，把实验数据和结果填入表实验可分组进行，把实验数据和结果填入表18中，要求对全部实验数据和结果进行整理分析中，要求对全部实验数据和结果进行整理分析。根据列表整理的熔敷金属中的扩散氢含量根据列表整理的熔敷金属中的扩散氢含量H扩，扩，绘图表示出焊条种类，烘干温度，清理程度以及绘图表示出焊条种类，烘干温度，清理程度以及长弧焊和短弧焊等对长弧焊和短弧焊等对H扩扩的影响，并对以上的的影响，并对以上的实验结果进行简要分析实验结果进行简要分析LNPU钢号G0（g）G1(g）W（g)规范实验条件焊接时间（S)停焊至入水时间(S)停焊至入仪时间(S)气体收集时间(S)收集管环境温度（）收集气体体积测定结果备注I(A）U（A）焊条牌号电流种类烘干温度（）试件清理单个试件(ml)平均(ml)LNPU八、八、思考题思考题（一一）、用用甘甘油油法法测测得得地地熔熔敷敷金金属属中中H扩扩的的精精度度及及影影响精度的因素。响精度的因素。（二二）、在在甘甘油油法法测测氢氢操操作作过过程程中中，有有哪哪些些程程序序对对H扩扩的测定结果有较大的影响，需要在操作时严格掌握。的测定结果有较大的影响，需要在操作时严格掌握。（三三）、长长弧弧焊焊和和短短弧弧焊焊时时测测出出的的H扩扩油油和和不不同同？并并说明理由。说明理由。（四）、试分析比较（四）、试分析比较J422和和J507焊条的抗锈能力。焊条的抗锈能力。51、天下之事常成于困约，而败于奢靡。、天下之事常成于困约，而败于奢靡。陆游陆游52、生命不等于是呼吸，生命是活动。、生命不等于是呼吸，生命是活动。卢梭卢梭53、伟大的事业，需要决心，能力，组织和责任感。、伟大的事业，需要决心，能力，组织和责任感。易卜生易卜生54、唯书籍不朽。、唯书籍不朽。乔特乔特55、为中华之崛起而读书。、为中华之崛起而读书。周恩来周恩来谢谢！