[发明专利]通过监视原子氢渗透来监测部件的环境弱化的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种系统和方法，用于监测在一种应用中的至少一个部件的环境弱化，在所述应用中该部件经受应力或交替的赫兹应力或组合的结构和赫兹应力。

背景技术

根本原因分析是一类解决问题的方法，旨在查明问题或事件的根本原因，以建立有效的纠正措施，从而防止该问题或事件再次发生。

根本原因分析已被成功用于许多机器故障调查。

根本原因分析结果可以用来重新设计一台机器以改善发生故障的部件的工作条件。根本原因分析结果还可以用于监测和控制根本原因参数，如负荷，温度，电杂散电流，润滑故障和氢扩散通量。重新设计，监测和控制，可用于避免或至少减少过早失效的风险。

在机器的过早失效中，根本原因分析涉及发生故障的部件的负荷和强度。这种分析开始于分析机器运行条件，外部负荷，内部机器共振，负荷和自始至终的运行条件，下至摩擦学接触条件，乃至部件内的详细应力场。

机器系统的复杂性，大量相互作用的部件，运行中负荷的不确定性，环境和运行条件，使得部件的应力分析比较困难。应力分析中的不确定性取决于负荷的静态和动态条件。涡轮机械，如风力机，船用吊舱，泵和风扇可能存在难以估计真实负荷的运行条件。应力分析中的不确定性还与约束和简化有关，常进行所述约束和简化以加快模拟或者使模拟变得可能。柔性结构中的轴承可能得到很不好的支撑，因为改变了圈和滚子中的应力分布。滚动元件可能进一步被强制移动，倾斜，甚至部分堵塞，这造成现实中的应力比起计算所得出的更高。

强度分析涉及部件的研究，如轴承，齿轮，润滑剂，壳体或轴。检查了与规格书和公差的一致性。

研究了来自故障部件上的负荷接触以及腐蚀的磨损，污迹，磨痕，微点蚀，剥落，塑性变形，表面损坏，裂缝，磨损图案的迹象。还研究了部件的近表面和亚表面材料衰退，残余应力变化和X-射线谱线增宽，微结构变化和疲劳发展以及润滑剂的老化。相邻部件上的损坏，磨损，负荷或腐蚀迹象提供了更多的信息。相邻部件上的损坏的缺乏也可能对机器的运行条件，其负荷和环境条件提供知识。

故障经常是在后期阶段检测到，在那时初始故障模式部分地隐藏于次级故障背后。将应力，负荷循环，温度和材料强度与疲劳和断裂计算进行比较。将这些研究结果与故障观测进行比较。当根本原因故障分析不确凿时，负荷和应力估算两者往往均有不确定性，部件的环境弱化同样如此。

环境引起的弱化或开裂可以在各种应力条件下被发现。开裂可以由脆化进程以及阳极溶解驱动。鼻或原子氢有时可以关联到环境引起的弱化和广泛的裂纹扩展。

环境引起的强度降低由腐蚀和摩擦腐蚀过程二者造成。

腐蚀反应归因于金属和存在于金属周围环境中的氧化剂之间发生的不可逆的氧化还原反应。金属的氧化密不可分地耦合于氧化剂的还原，即

金属+氧化剂→被氧化的金属+还原剂

发生以下反应：

阳极部分反应Fe→Fe²⁺+2e^-

阴极部分反应2H⁺+2e^-→H₂

总体反应Fe+2H⁺→Fe²⁺+H₂

在阴极反应中，通过两个氢原子的重新结合形成氢气，所述两个氢原子在阴极表面上分别形成。

H⁺+e^-->H_ads该Volmer反应产生表面上吸附的氢原子。它通常是限速反应。在第二步中，氢原子重新结合成气体。两个过程是已知的

H_ads+H⁺->H₂Heyrovsky反应

H_ads+H_ads->H2Tafel反应

另外，被吸附的氢也可以扩散进入金属。

H_ads->H_m H_m溶解于部件中的氢

如润滑剂中的化学化合物可降低氢重组率。H_m至H₂的关联增加。高强度钢基体中的H_m含量增加会增加氢脆风险和/或增加裂纹增长速率。氢原子会扩散或捕获在可逆和不可逆陷阱中。陷阱的性质、温度和应力场决定一个陷阱是可逆的或不可逆的。