极端临氢环境金属材料力学性能数据库开发及应用

 石化和氢能领域中高压氢系统承载件在制造残余影响、高压氢气和复杂载荷耦合作用下易发生氢致损伤。为确保高压氢系统长期、稳定、安全、可靠地运行,亟需为高压氢系统产品开发提供材料性能基础数据。本文从数据独立性和易扩展性方面入手,结合前期高压氢环境中材料实验数据(慢应变速率拉伸实验、断裂韧性实验和疲劳裂纹扩展实验),基于VB 编程语言开发了高压氢环境金属材料力学性能数据库。结合国内外学者的研究对数据库应用进行了分析,展示了数据库收录金属材料氢脆数据的多面性和全面性。     

几种贮氢用合金性能分析

金属氢化物作为贮氢材料,合金中的氢原子密度可与在100牛顿/mm~2下压缩的氢气的密度比拟,而不需要笨重的高压容器.通常,希望贮氢材料具有以下特性:1.贮氢量大,释放量也大;2.氢化物的生成热为29—37千焦耳/克分子左右时,在室温附近要具有适当的氢的平衡分解压(0.1—1牛顿/mm~2);3.价廉;     

炼油厂从含氢气体中回收利用氢气的方案探讨

分析了兰州石化公司炼油厂的氢气平衡和含氢气体情况,探讨从含氢气体中回收利用氢气的技术方案,主要为利用加氢装置高压尾氢经脱硫后进入2.4Mpa氢气系统二次利用;利用加氢装置低压氢气、分馏塔塔顶气体经过PSA装置脱硫、提纯后进入1.3Mpa氢气系统二次利用。     

碳纳米管中氢等离子体的介电特性及微波吸收机理研究

运用双流体理论和唯象模型,导出了碳纳米管中氢等离子体的复介电常数和微波吸收系数,构建了铁催化高压歧化生成的碳纳米管中氢等离子体的微波吸收模型,从理论上证明了铁催化高压歧化生成的碳纳米管氢等离子体中的带电粒子对微波产生的碰撞吸收是其主要微波吸收机理,揭示了铁催化高压歧化生成的碳纳米管对2.45 GHz的微波产生强烈吸收的物理机制.     

浅谈金属与酸的反应

氢前金属和稀酸的反应是中学化学一个热点问题,在屡次竞赛中经常出现.氢前金属和稀酸反应的实质是金属置换出了酸中的氢离子,成为氢气,这可以分为两种情况,一个是金属过量,另一个是酸过量,根据不同的条件可以通过反应的本质进行简单的计算.     

底物浓度对光合产氢过程动力学的影响

以光合产氢混合菌种为研究对象,采用实验研究和模型拟合的方法进行底物浓度对产氢过程动力学影响的研究.结果表明,底物浓度为5、10 mg/mL的产氢系统,底物消耗利用程度较高,20 mg/mL的系统存在未完全降解利用的物质,底物最大消耗利用量为17.014 6 mg/mL.各产氢系的统产氢速率分别在95、101、107 h达到最大,即底物浓度低,光合细菌对底物的消耗利用程度高,最大产氢速率出现较早. Gompertz模型拟合氢气生成的相关系数均大于99%,且氢气生成和底物消耗主要在混合菌种对数生长期和稳定期前期.     

氢在金属熔体中的溶解度计算模型

通过文献调研,总结了氢在不同金属熔体中溶解度变化规律。通过比较不同影响因素的作用,指出氢与金属熔体的电子相互作用是决定氢在金属熔体中溶解度的主要因素。基于近自由电子模型,提出了表征这种电子相互作用和计算氢在金属熔体中溶解度的金属熔体有效电荷密度模型。结果表明:氢在过渡族金属熔体中的溶解度远高于在其他金属熔体中的溶解度,而且随着原子序数的变化呈现有规律的变化,金属熔体有效电荷密度模型很好地解释了这种变化规律。     

Ⅱ型二元氢气水合物相边界条件测定及分解焓计算

针对水合物法储氢存在相平衡数据较少及其分解焓直接实验测定非常困难的问题,在已有的高压可视蓝宝石反应釜中测定了环戊烷/丙酮/叔丁胺/四氢呋喃-水-氢气三组分体系中的水合物相边界条件,并结合Clausius-Clapeyron方程计算确定了4种Ⅱ型二元氢气水合物的分解焓.结果表明:含环戊烷/丙酮/叔丁胺/四氢呋喃的Ⅱ型二元氢气水合物的相平衡压力可降低至纯氢气水合物同温度下相平衡压力的1/10甚至更多.二元氢气水合物的分解焓与添加剂和相平衡温度有关,对于同一种添加剂,随着相平衡温度的升高,所得到的二元氢气水合物分解焓增加.二元氢气水合物相平衡边界和分解焓的测定对进一步研究和开发水合物法储氢技术具有重要价值.     

室温常压下氮氢气体交流放电合成氨的研究

室温常压条件下,储存在高压钢瓶中的氮氢气体,以1:3的混合比,流量分别为40ml/min和12ml/min,混合气流经石英玻璃气套,石英玻璃气套安放在一对园柱面电极中间,两园柱面电极与交流电源相连接,电源的输出电压15KV,频率为20KHz。石英玻璃气套中氢氢气体被高电场强度的交流电场所激活,具有了化学活泼性。室温常压下的气体分子间发生频繁地碰撞,可引发化学反应。氢氢气体放电合成了氨NH_3。 对氮氢气体放电合成氨的转化率影响较大的有:a.放电频率,b.当放电频率固定为20KHz时,电源的输出电压值,c.氮氢气体混合比。     

机械合金化Mg2Ni储氢材料的吸氢动力学实验研究

为了研究压力和温度对Mg2Ni储氢合金动力学性能的影响以及吸氢反应机理,采用机械合金化的方法制备了Mg2Ni储氢合金。利用P-C-T测试仪进行活化并测试其吸氢动力学特性,并在实验的基础上结合3种常用的动力学模型分析了Mg2Ni合金吸氢反应的控速步骤。结果表明:Mg2Ni合金在673K、7.4MPa条件下活化3次就能够基本活化完全,吸收1mol氢气所需活化能为43.47kJ;温度对其动力学性能影响不明显,相反压力的影响比较大,吸氢反应速率和吸氢量都随压力的升高而增加;实验结果与JDM和JMA动力学模型比较吻合;金属氢化物形核长大与氢原子在产物层中的扩散过程是Mg2Ni合金吸氢反应的混合控速步骤。     

层状介质中水力裂缝的垂向扩展

应用岩石力学的理论与方法，建立了层状介质中水力裂缝垂向扩展的数值模型，分析了地应力剖面、地层断裂韧性、压裂液密度及作业参数对缝高剖面形态的影响．研究结果表明，地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围和扩展方向的主要因素，岩层断裂韧性对裂缝的垂向扩展有明显的止裂作用，压裂液沿缝高方向的流动压降对裂缝高度有较大影响．在一定地层条件下，裂缝是否向隔层扩展以及扩展范围的大小主要取决于作业压力的高低．该方法可用于预测水力裂缝缝高剖面形态     

不锈钢堆焊试件熔合区充氢前后的断裂韧性研究

研究了氢对不锈钢堆焊层熔合区的断裂韧性的影响作用。发现不锈钢堆焊层熔合区的断裂韧性随着充氢时间的增加而下降,结果表明,氢是引起加氢反应器不锈钢堆焊层剥离的主要因素。     

氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响

研究了国产钢经不同温度和时间氢暴露后的力学性能、疲劳性能和断裂韧性，用扫描电镜证实了氢蚀后断裂机制发生了变化。研究表明：随氢蚀程度增加，２０Ｇ钢抗拉强度和塑性降低明显，ＣｒＭｏ钢抗拉强度略有降低，塑性变化不大。氢蚀使２０Ｇ钢的门槛值有一个最小值，而断裂韧性随氢蚀程度升高而降低，在氢蚀程度较低时，断裂韧性下降程度大；在氢蚀程度较高时，断裂韧性下降程度变缓。碳钢的疲劳性能变化是由于材料损伤作用和氢蚀造     

大型锻件微孔隙氢压场研究

根据气体状态方程建立了微孔隙氢浓度计算公式,结合原有微孔隙氢压强度计算公式,建立了钢中微孔隙氢压强度综合计算模型。通过分析锻件内的微孔隙的物理性质和变形特征,将微孔隙分布视为多孔可压缩材料,利用多孔可压缩材料的刚塑性有限元法,建立了Cr5材料锻件内部微孔隙锻造压实与微孔隙氢压强度的非线性有限元模型。通过数值模拟,研究了上下V型砧锻造工艺下,压下量对相对密度和微孔隙氢压强度的影响。分析结果表明,随着压下量的增大,锻件内部相对密度随之增大,相对密度对微孔隙氢压强度的影响有一个阈值效应,通过控制锻件压下量可以有效地控制锻件内部的微孔隙氢压强度的大小。     

水附着状态下奥贝球铁断裂韧性的脆化行为

研究了水附着状态下奥贝球铁(ADI)断裂韧性的脆化行为．研究结果表明，干燥状态下ADI具有较高的断裂韧性，但水附着状态下ADI的弹塑性断裂韧性JIc降至干燥状态下的20％以下，发生显著的脆化行为；断裂韧性的脆化与试样水浸泡履历无关，长时间(480h)水浸泡试样经再干燥后，其断裂韧性恢复到原有水平．裂纹尖端附着的水在ADI基体塑性变形时分解放出氢，氢扩散至试样的内部使ADI基体中的应力诱变马氏体发生氢脆，导致了ADI断裂韧性的脆化．     

X70管线钢及焊缝在模拟煤制气含氢环境下的氢脆敏感性

通过氢渗透测试、氢扩散模拟以及氢含量测试技术研究X70钢在模拟4MPa总压,0.2MPa氢气分压煤制气环境下的充氢过程,并通过冲击韧性测试、裂纹扩展测试以及缺口拉伸和慢应变速率拉伸测试方法,从不同角度分析X70钢母材和焊缝组织在模拟煤制气含氢环境下的力学性能.结果表明,在总压4MPa,0.2MPa含氢煤制气环境中,X70钢表面存在吸附氢原子并能扩散进入X70钢内部,达到稳态后内部的可扩散氢质量分数为1.9×10-7;与空气中的原始性能比较,X70钢焊缝和母材的冲击性能、缺口拉伸和慢应变速率拉伸强度、塑性以及材料的损伤容限均未发生下降;在实验煤制气环境中,X70钢具有较低的氢脆风险.     

高含硫气藏硫沉积预测热力学模型

在高含硫气藏开发过程中,伴有元素硫的析出、沉积、气相组成变化和沉积硫堆积在孔隙喉道污染地层等特殊现象.其中硫微粒的沉积将降低地层孔隙度和渗透率,影响气藏的产能,严重的硫沉积甚至会导致气井报废.为了能够提高含硫气藏开发的预见性,建立安全开发模式,运用化学热力学理论建立了气液固三相相平衡硫沉积预测热力学模型预测硫的沉积,在此模型基础上对比计算、分析了硫化氢含量对硫沉积的影响.得出以下结论:在压力和温度一定的条件下硫的沉积量与硫化氢的含量成反比,在组成和温度一定的条件下压力越低硫的析出量越大.     

页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟技术

页岩气藏天然裂缝分布复杂,地层非均质性强,水平井压裂技术是开发的必要手段,建立页岩气藏压裂缝网扩展与流动一体化模拟方法对于制定生产方案及评价压裂措施具有重要的现实意义。采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩气藏多分支裂缝网络形态,在此基础上进一步运用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）来定量表征页岩气藏有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制,从而实现页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟。基于该方法建立了200 m×200 m的地质模型进行缝网形态模拟以及流动表征,通过缝网扩展模拟方法得到裂缝网络分布规律,在此基础上基于嵌入式离散裂缝模型进行流动模拟,得到模型生产200 d后的含气饱和度分布以及产气量分布曲线。同时,基于本文模型分析了压裂液注入压力、分形概率指数、压裂液黏度以及裂缝网格精细程度等参数对裂缝网络形态、含气饱和度分布以及页岩气产量的影响。研究表明,压裂液注入压力越高分形概率指数越小、压裂液黏度越小裂缝扩展范围越大、含气饱和度下降范围越大单井产量越高,裂缝模拟精度会显著影响产量误差。基于该页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模型可以大规模模拟页岩气藏缝网形态以及多重介质复杂流动,为评价页岩气藏压裂施工好坏以及产量预测提供了有效的帮助。     

高强钢氢致滞后断裂滞后时间的有限元预测

基于氢相关的内聚力模型,开发了顺次耦合的氢致滞后断裂有限元计算程序,预测了预含氢AISI4135高强钢圆棒缺口试样在常载荷拉伸条件下的滞后断裂时间,并考察了试样初始平均含氢水平对滞后断裂的影响.结果表明,氢相关的内聚力模型可有效预测氢致滞后断裂的断裂时间,有限元预测结果和相关报道较为一致.氢致滞后断裂存在氢临界值,当缺口尖端应力集中区聚集的氢浓度达到临界时裂纹开始形核,此临界值和结构的初始含氢量无关.