溪洛渡等大型水电叶片和百万核电转子中氢、氧含量的测定

李立东 丁淑杰 张雅丽

（哈电集团哈尔滨电机厂计量测试中心，黑龙江 哈尔滨150040）

1 研究意义。氢、氧是金属材料中的有害元素。钢中溶氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷，这种现象在合金钢中尤为严重。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故，这对高速运转的动力机械是十分危险的。钢中的氧对钢的机械性能有不利影响，它使钢的强度、塑性均降低。准确测定钢铁等金属材料中氢、氧含量有助于提高我公司产品质量。

2 实验部分

2.1 实验仪器和试剂耗材等

ROH600氧氢分析仪（美国LECO公司）KQ-700VDE型超声波清洗器（昆山）德国赛多利斯CP124S电子天平（灵敏度0.1mg）

莱博泰科H150-1500型冷却水循环器，石墨套坩埚（常州、北京纳克公司和LECO公司）。

LECO无水高氯酸镁（24至48目）；LECO碱石棉（20至30目）；LECO氧化铜（20至30目）；镍篮（7mm*12mm）研制单位：北京纳克公司、沈阳金属所、北京有色金属研究总院和LECO公司）;美国ALPHA锡片（9T-7516）。普通氮气（99.99%）；高纯氩气（≥99.999%）。

2.2 分析原理：

该仪器使用惰性气体高纯氩气作载气，脉冲电极炉将石墨坩埚电极加热，通过改变电流和功率来控制加热温度，其炉子最高功率可达7000W约3500℃.当试样投入到已加热的坩埚中后，试样在惰性气氛（氩）中被熔融，试样中的氢以H2形式析出，氧和坩埚中的碳形成CO和少量的CO2，从炉中释放出的混合气体被载气（氩气）携带，通过加热的稀土氧化铜，使CO氧化成CO2，H2被氧化为H2O，由H2O红外检测池检测氢含量，1个CO红外池和2个CO2红外检测池共同检测氧含量，随后再经碱石棉吸收CO2和无水高氯酸镁吸收H2O。红外吸收池所得电信号经微机的数学运算直接输出氧、氢的含量（以质量分数表示。

3 结果与讨论

3.1 试样的制备和实验环境

3.1.1 试验环境。氧、氢的测定极易受到环境的污染，如试样加工过程中易遭到机油等的玷污，试验结果表明：加工样品所用设备的清洁程度和燃烧炉膛内上、下电机表面的清洁程度都对氧、氢含量的结果有较大影响，因此为获得较好的分析结果必须保证整个样品在制备过程、分析过程中相应的设备、环境的清洁。

3.1.2 样品制备对分析结果的影响。钢铁、镍合金和铜合金等材料车成直径5mm、长4～6mm、0.5～1.0g左右的圆柱状样品，车削过程中要防止试样表面氧化和玷污，加工好的试样在分析前依次用四氯化碳、乙醚、丙酮清洗（包括标样），如试样表面很干净，只需用丙酮清洗即可。制备好的试样当天用不完，须储于干燥器内，并存于阴凉避光处。用作分析的钢样应无气孔、裂纹等缺陷。

测定下列金属材料中氧含量时，试样的表面处理方法：

纯铁：草酸（50g/L-1）加纯铁，滴加过氧化氢（W=30%），待试样表面光亮后，用流水冲洗，无水酒精洗涤，吹干，置于干燥器中。

铜：浓磷酸5ml,浓硝酸2.2ml,冰醋酸2.8ml,样品置于混合酸中1～2分钟，用流水冲洗干净，无水酒精洗涤，于60℃吹干，置于干燥器中。镍：浓硝酸2.5ml,冰醋酸7.5ml,浓盐酸0.15ml,样品置于混合酸中30～60秒，用流水冲洗干净，无水酒精洗涤，于60℃吹干，置于干燥器中。

钛是化学性质最活波元素之一，有时人们把它当作"吸气剂"来使用，因此要准确地测定钛和钛合金中的气体杂质存在一定的困难和需要一定的技巧。钛板、钛棒及钛合金等样品，或截成4*4*2毫米的小块，或车成Ф3*4～5毫米的小圆柱体，而后用丙酮（有文献用四氯化碳）去脂。纯钛样品可放在浓度为4%的氢氟酸溶液重进行浸蚀10～15分钟，以除去表面氧化物，而后用无水酒精处理，干燥、称重、留待分析。以钢中氢氧为例说明样品表面处理对气体分析结果的影响上面所用试样含量范围 H≤1.5μg/g,O≤35μg/g.试验表明试样清洗前分析结果高偏差大证明表面有油污，清洗后样品不仅在合格范围内而且结果平行偏差小。

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3.2 氧氢分析仪的分析界面。分析界面上面显示分析数据，下面显示与分析数据对应的分析曲线，通过分析曲线可以看出氧氢释放是否正常。

图1：仪器软件分析界面

3.3 环境图表。通过环境图表监控仪器是否在正常状态下工作，正常状态下：

载气1480～1500psi(磅每平方英寸）之间。

图2：仪器软件的环境图表

3.4 分析功率的选择

3.4.1 分析功率对氧氢的释放有影响，过高反应剧烈会造成试样的迸溅，对仪器及测定可能造成不良影响，过低氧氢释放不出来，而且氧氢是联测，经过试验钢中氧氢、钛合金中氧氢分析功率在4500W时氢氧都能达到较完全释放，铜中氧分析功率在2800W时氧会达到较完全释放。

3.4.2 分别在分析功率4000W、4500W和5000W条件下对Leco标准样品(502-416)进行了试验，结果见下表

结果表明：功率在4000W和4500W时随着功率的逐渐增加，氢、氧的数值也逐渐增大接近标准值，功率在5000W时数值变化不大，，说明试样中氢，氧在4500W时已达到较完全的释放。过高的分析功率将产生更多石墨粉尘，同时反应剧烈会造成试样的迸溅，对仪器及测定可能造成不良影响，因此选择分析功率为4500W。

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4 结论

4.1 使用OH900仪器时，由于老仪器已用九年多，脱气过程不完全分析曲线下移，每分析一个试样，要进行一次空烧。浪费分析时间、仪器试剂、自来水和气源等。ROH600可以连续分析试样，不存在脱气不完全现象。

4.2 由于OH900仪器采用红外吸收法测定氧，热导法测定氢，同一金属材料样品氧氢不能联测，氢和氧要分别在不同分析条件下测定。ROH600可实现一次投样，氧氢同时分析出准确数据。

[1]胡少成等.《固态金属及合金材料中氧、氮、氢联测技术进展》.冶金分析（MetallurgicalAnalysis）,2009,29(11):34-40.

[2]魏强，《金属材料中气体分析应用研究》【C】.2006年中国金属学会第十三届分析测试学术报告会论文集.北京：中国金属学会分析测试分会，2006.