氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法及检测凝胶制备方法与流程

1.本发明属于高分子技术领域，具体涉及了一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法、系统及设备。


背景技术：

2.随着国家远景战略规划及碳中和、碳达峰目标的提出，开发和利用新能源已经成为今后发展的重要方向，氢能作为可再生能源，其相关研究越来越多。在大量的科学研究和实践过程中，氢能的制备、储存和运输均收到广泛的关注，但是由于氢的高能流密度、高爆炸极限(4％-75％)导致的高危特性，氢能源在很长一段时间内都没有得到大规模的推广和应用。
3.为了高效推进氢能源的大规模应用，需要着重解决其带来的安全隐患问题。尤其在氢气的储存和运输过程，因为氢原子非常小，在钢制容器中极易透过铁原子，并进入材质内部与碳元素发生反应，从而导致容器失效。同样地，在站场以及管段间存在的法兰和管道焊缝等，也是易出现微渗漏、泄露，甚至管段破裂的风险。因此，尽早预知及检测到微渗漏/泄露源是提升氢能源利用安全性的关键。
4.现有的研究主要集中于使用氢敏变色活性材料，包含以稀有金属(pt铂、pd钯、rh铑、la镧)为活性物质、显色氧化剂(wo3、sio2、tio2、sno2等等)为组合物的接触氢气或液氢实现变色的胶带检测装置。
5.但是，胶带检测还存在两个重要的问题：第一，检测的范围受限于胶带的带宽。如果罐体较大，采用胶带检测会严重影响其操作，而胶带的粘结层与罐壁表面的接触特性也会影响检测的有效性。此外，对于液氢低温罐体表层，即便有保冷措施，但是管外壁结露仍旧是普遍现象，为此，水对胶带检测胶粘层、氢敏材料是否存在影响仍是一大问题。第二，胶带检测的可靠性取决于胶带的厚度。泄露孔径决定氢气穿透深度，而氢敏胶带中所包含的有效检测成分体现在胶带厚度，同样取决于胶层的粘连特性。如果微泄漏发生，氢气很有可能从粘连缝隙窜出，导致漏检。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即现有的胶带检测的检测范围小、可靠性受限于胶带厚度和粘连性，易出现漏检，而现有技术中缺乏指导特异功能水凝胶材料合成孔隙率控制和计算方法，继而造成在没有制备特定孔隙率区间的水凝胶技术描述下，凝胶合成不受控、合成效果不佳的问题，本发明提供了一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该检测凝胶孔隙率计算方法包括：
7.步骤s10，基于气体在多孔介质中的传递规律，通过darcy-brinkman模型表征氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组；
8.步骤s20，基于水凝胶中对流和扩散项的平衡性，将所述热质传递方程组表示为无纲量形式；
9.步骤s30，结合水凝胶固体材料在边界的运动约束条件，获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程；
10.步骤s40，基于所述氢气流动和扩散迁移方程，获取表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，并获取水凝胶制备材料满足的物理特性；
11.步骤s50，获取氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程，结合所述渗透率方程、所述克努森数和所述水凝胶制备材料满足的物理特性，获得水凝胶孔隙率。
12.进一步地，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：进一步地，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：进一步地，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：进一步地，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：进一步地，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：
13.其中，u代表无量纲的x方向速度，v代表无量纲的y方向速度，x代表x坐标，y代表y坐标，p代表无量纲压力，t代表气体无量纲温度，s代表扩散流体的质量浓度，τ代表无量纲时间，re＝u
ref
hφ-1
代表无量纲控制参数雷诺数，da＝k/h2代表达西数，代表格拉晓夫数，pr＝vφ/α代表普朗特数，sc＝vφ/d代表施密特数，h、u
ref
、δ
t
、δs分别代表长度尺度、作为速度尺度的顶部实际流动速度、温度尺度和浓度尺度，v＝μ/ρ代表流体运动粘度，α代表热扩散系数，d代表质扩散系数，g代表重力加速度，k代表多孔介质渗透率，φ代表水凝胶孔隙率，β
t
代表体积膨胀系数，μ代表运动粘度，ρ代表流体温度为t0时的流体密度。
14.进一步地，步骤s20中将所述热质传递方程组表示为无纲量形式，其方法为：(x，y)＝(x，y)/h(u，v)＝(u，v)/u
ref
τ＝τ
*
/(h/u
ref
)t＝(t-t0)/δts＝(s-s0)/δsδt＝(t
1-t0)δs＝(s
1-s0)
15.其中，(x，y)代表流体运动的真实坐标，(u，v)代表流体流动速度，τ
*
代表流动时
间，ρ和ρ0分别代表流体温度为t0时的流体密度和热源温度为t0时的流体密度，g代表公里加速度，t、t0、t1代表流体温度参数、初始温度、终态温度，s、s0、s1代表浓度参数、初始浓度、终态浓度，h/u
ref
代表时间尺度。
16.进一步地，所述水凝胶固体材料在边界的运动约束条件为：
17.开口边界处：u0＝1，v＝0，t＝0，
18.底部壁面：u＝0，v＝0，
19.侧壁面：u＝0，v＝0，
20.中间固块：λ
solid
＝λ
fluid
，ρd
solid
＝0；
21.其中，u0代表无量纲初始速度，λ
solid
和λ
fluid
代表固体导热率、流体导热率，d
solid
代表固体质扩散系数。
22.进一步地，所述水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程，其表示为：f＝re·
da23.其中，re＝u
ref
hφ-1
代表无量纲控制参数雷诺数，da＝k/h2代表达西数，u
ref
代表作为速度尺度的顶部实际流动速度，h代表长度尺度，k代表多孔介质渗透率，φ代表多孔介质孔隙率。
24.进一步地，所述表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，其表示为：
25.其中，kn为克努森数，kb为波尔兹曼常数，t代表气体无量纲温度，p为压强，σ为氢气分子直径，为水凝胶空隙特征尺寸。
26.进一步地，所述氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程为：
27.其中，κ代表氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率，α代表热扩散系数，a代表水凝胶交联体平均直径，λ
max
代表最大孔径的直径，df为表征分形系数和维数的参数。
28.进一步地，所述水凝胶孔隙率为：
29.其中，φ代表水凝胶孔隙率，da＝k/h2代表达西数，k代表多孔介质渗透率，h代表长度尺度，β＝r/l代表链长与空隙直径的比值，r代表链长，l代表空隙直径。
30.本发明的另一方面，提出了一种检测凝胶制备方法，基于上述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该制备方法包括：
31.步骤a10，以2m丙烯酰胺为单体，0.001mn，n
’‑
二甲基双丙烯酰胺为交联剂，0.002m2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮为紫外引发剂，以含量为0.05g/cm3的
tween20为表面活性剂，将油醇分散在水相中成小液滴状；
32.步骤a20，将溶液搅拌均匀后倒入模具中，在纯度99.99％的氮气的保护下，以功率密度为4mw/cm2、波长为365nm的紫外光照射8小时，得到paam水凝胶；
33.步骤a30，将所述paam水凝胶在去离子水中反复溶胀3次，并再70℃的烘箱中干燥不同时间，获得不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料；所述水凝胶材料的孔隙率通过调整所述表面活性剂的含量来调整；
34.步骤a40，将三氧化钨微粉和可溶性镧按照设定比例混合，并通过高能球磨细化活化，获得氢敏变色材料悬浮液；
35.步骤a50，将不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料浸泡于所述氢敏变色材料悬浮液中，通过机械震荡使水凝胶材料完全溶胀；
36.步骤a60，对完全溶胀的水凝胶材料进行真空干燥，获得氢敏显色检测水凝胶。
37.在一些优选的实施例中，步骤a40包括：
38.步骤a41，按照设定比例获取三氧化钨微粉和可溶性镧，将三氧化钨微粉溶解于设定温度和浓度的氢氧化钠中；
39.步骤a42，将设定重量的无水乙醇加入溶解了三氧化钨微粉的溶液中，并搅拌均匀；
40.步骤a43，在搅拌均匀的溶液中加入浓盐酸直至有黄色钨酸生成，再次进行搅拌并对溶液加热，获得凝集的钨酸；
41.步骤a44，在凝集的钨酸中加入可溶性镧，获得镧掺杂三氧化钨悬浮液作为氢敏变色材料悬浮液。
42.本发明的有益效果：
43.(1)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，在分析氢气在水凝胶中的渗透扩散规律和交联体网格、氢敏材料分散相的分散特性的基础上，确定水凝胶中pt(铂)粉末、wo3(三氧化钨)的分散粒径以及交联材料种类和成分配比，最终检测水凝胶对氢气的敏感度高，检测结果的准确性和精度高，不易出现漏检。
44.(2)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，当受检面附近空气湿度较大或壁面结露时，本发明检测水凝胶吸水并快速吸附至待检测表面，当受检面附近空气湿度较小时，水凝胶所含水分可以润湿壁面，有效提升了水凝胶与受检面的贴合牢固度，并实现精准定位检测。
45.(3)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，在凝胶的水分蒸干后，凝胶可自行脱落，并可回收再利用，有效降低成本，减少资源消耗。
46.(4)本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，在维修检测过程中，可以直接刮除凝胶而不会造成壁面粘连损伤或掉漆，进一步提升了氢气的储存和运输过程的安全性。
附图说明
47.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
48.图1是本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法的流程示意图；
49.图2是本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的水凝胶受力后交联
结构变化示意图；
50.图3是本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的简化分析模块及边界条件示意图；
51.图4是本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的渗透率对流动的影响示意图；
52.图5是本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的不同达西数下垂直中心线上的水平流动速度曲线图；
53.图6是本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的无量纲参数对近避免竖直方向速度分布影响示意图。
具体实施方式
54.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
55.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
56.当前泄漏检测人工巡线过程中简便又快捷的方式莫过于肥皂水或发泡水进行泄漏位置初检，主要是通过肥皂水鼓泡的直观视觉给出泄漏大致位置；或者应用泄漏检测胶带缠绕，以观察到某一范围内出现面域变色作为泄漏标志。但这两种方式无法给出微泄漏的形态、位置，无法为后续维修防护提供更多信息，这就有可能造成漏检或风险研判失败，造成后续管段破裂或造成生产事故。
57.本发明提供一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，本方法考虑到制备的检测材料需要直接涂覆于管壁或罐体外部，并且还需要具备良好的水环境特性、表面粘连特性，将检测材料制备成水凝胶状，当空气湿度较大或壁面结露，凝胶吸水并快速吸附至待检测表面，贴合牢固，当空气湿度较小时，凝胶所含水分可以润湿壁面，实现精准定位检测。在凝胶的水分蒸干后，凝胶可自行脱落，并可回收再利用，在维修检测过程中，可以直接刮除凝胶而不会造成壁面粘连损伤或掉漆。为了制备达到上述性能的氢敏显色检测水凝胶，本方法从三个方面对检测凝胶的制备参数进行计算：(1)分析氢气在水凝胶中的渗透扩散规律；(2)分析交联体网格以及氢敏材料分散相的分散特性；(3)基于(1)和(2)确定水凝胶中pt(铂)粉末、wo3(三氧化钨)的分散粒径以及交联材料种类和成分配比。
58.本发明的一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该检测凝胶孔隙率计算方法包括：
59.步骤s10，基于气体在多孔介质中的传递规律，通过darcy-brinkman模型表征氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组；
60.步骤s20，基于水凝胶中对流和扩散项的平衡性，将所述热质传递方程组表示为无纲量形式；
61.步骤s30，结合水凝胶固体材料在边界的运动约束条件，获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程；
62.步骤s40，基于所述氢气流动和扩散迁移方程，获取表征孔隙尺度与氢气自由程关
系的克努森数，并获取水凝胶制备材料满足的物理特性；
63.步骤s50，获取氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程，结合所述渗透率方程、所述克努森数和所述水凝胶制备材料满足的物理特性，获得水凝胶孔隙率。
64.为了更清晰地对本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
65.本发明第一实施例的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，包括步骤s10-步骤s50，各步骤详细描述如下：
66.对于水凝胶而言，相比于聚丙烯酰胺(paam)和藻酸铵(aig)的化学结构，氢原子半径仅有0.79埃，是自然界中最小的原子，其扩散速度是天然气扩散速度的3.8倍。当其在大分子交联基团中扩散时，氢气的扩散和传递都会收到阻滞，从而在大分子中不断碰撞，此时，在胶体中分散的pt粉末作用下，氢会与氢敏显色材料wo3等产生显色反应。这部分色敏材料在发生反应后，在浓度差的作用下会继续向氢气溢出方向扩散，进一步发生反应，从而可以检测出氢气泄露的点。
67.如图2所示，为本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的水凝胶受力后交联结构变化示意图，图2中的(a)表示通过paam材料合成大分子柔性链，图2中的(b)表示海藻酸钠的半刚性链分子结构，将二者按照特定比例混合制备，形成图2中的(c)的最左侧水凝胶本体。当吸水后，由于特殊的分子结构，水凝胶内两种交联体在拉伸、扭转时会重新排列，对抗变形；当再溶胀后，水凝胶内部结构在水作用下将重新排列，使得凝胶各方面性能仍然保持优良。
68.由于氢原子的粒径极小，在压差和浓驱动下水凝胶中进行扩散迁移，考虑水凝胶由大分子有机物、纳米级金属或氧化粉末散相以及构成，对于氢分子在水凝胶中扩散的热质传递过程，可以用气体在多孔介质中的传递规律进行表征。
69.步骤s10，基于气体在多孔介质中的传递规律，通过darcy-brinkman模型表征氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组。
70.如图3所示，为本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的简化分析模块及边界条件示意图，xoy轴表示简化后无量纲模型的坐标系，其中h和w分别指代无量纲长度和宽度，图中阴影部分为多孔介质区域，两个方框表示计算区域内的固块(仅为了更加准确的描述物理过程而引入)，g表示重力加速度，u0表示外部无量纲区域外表面初速度，模型中上边界为开口边界，左右侧为热绝缘热边界和壁面无滑移速度边界，底部含有源项，具体约束条件为：(1)开口边界处：u0＝1，v＝0，t＝0，(2)底部壁面：u＝0，v＝0，(3)侧壁面：u＝0，v＝0，(4)中间固块：λ
solid
＝λ
fluid
，ρd
solid
＝0。
71.假定多孔介质空间为均匀常物性且各向同性的，并且局部热力平衡(即针对某计算网格内的固体与孔隙之间的热量传递是平衡态)。空间内的流动过程则被认为是层流、不可压缩的，且需考虑由于温差产生的热浮生力，并忽略粘性耗散作用和多孔介质内的惯性阻力。当饱和流体为氢气时，通过boussinesq表征流体密度变化引起的热浮生力的影响，如式(1)所示：
ρ＝ρ0[1-β
t
(t-t0)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0072]
其中，ρ0代表热源温度为t0时的流体(氢气)密度，β
t
为流体(氢气)的热膨胀系数。
[0073]
基于上述描述，氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组如式(2)-式(6)所示：式(6)所示：式(6)所示：式(6)所示：式(6)所示：
[0074]
其中，u代表无量纲的x方向速度，v代表无量纲的y方向速度，x代表x坐标，y代表y坐标，p代表无量纲压力，t代表气体无量纲温度，s代表扩散流体的质量浓度，τ代表无量纲时间，re＝u
ref
hφ-1
代表无量纲控制参数雷诺数，da＝k/h2代表达西数，代表格拉晓夫数，pr＝vφ/α代表普朗特数，sc＝vφ/d代表施密特数，h、u
ref
、δt、δs分别代表长度尺度、作为速度尺度的顶部实际流动速度、温度尺度和浓度尺度，v＝μ/ρ代表流体运动粘度，α代表热扩散系数，d代表质扩散系数，g代表重力加速度，k代表多孔介质渗透率，φ代表水凝胶孔隙率，β
t
代表体积膨胀系数，μ代表运动粘度，ρ代表流体温度为t0时的流体密度。
[0075]
当计算空间内部固块时，其区域表面速度为0，则式(5)和式(6)中的对流项为0，对流项即为上述表达式左侧求偏导后的项其中为求解物理量，ui、xi均为张量。
[0076]
步骤s20，基于水凝胶中对流和扩散项的平衡性，将所述热质传递方程组表示为无纲量形式。
[0077]
考虑到对流和扩散必须保持平衡，并考虑控制参数的范围，对上述方程组的相应变量进行无纲量化处理，如式(7)-式(14)所示：(x，y)＝(x，y)/h
ꢀꢀꢀ
(7)(u，v)＝(u，v)/u
ref
ꢀꢀꢀ
(8)τ＝τ*
/
(h/u
ref
)
ꢀꢀꢀ
(9)t＝(t-t0)/δt
ꢀꢀꢀ
(11)s＝(s-s0)/δs
ꢀꢀꢀ
(12)δt＝(t
1-t0)
ꢀꢀꢀ
(13)
δs＝(s
1-s0)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0078]
其中，(x，y)代表流体运动的真实坐标，(u，v)代表流体流动速度，τ
*
代表流动时间，ρ和ρ0分别代表流体温度为t0时的流体密度和热源温度为t0时的流体密度，g代表公里加速度，t、t0、t1代表流体温度参数、初始温度、终态温度，s、s0、s1代表浓度参数、初始浓度、终态浓度，h/u
ref
代表时间尺度。
[0079]
步骤s30，结合水凝胶固体材料在边界的运动约束条件，获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程。
[0080]
水凝胶固体材料在边界的运动约束条件为：
[0081]
开口边界处：u0＝1，v＝0，t＝0，
[0082]
底部壁面：u＝0，v＝0，
[0083]
侧壁面：u＝0，v＝0，
[0084]
中间固块：λ
solid
＝λ
fluid
，ρd
solid
＝0；
[0085]
其中，u0代表无量纲初始速度，λ
solid
和λ
fluid
代表固体导热率、流体导热率，d
solid
代表固体质扩散系数。
[0086]
通过上述过程进行方程求解，获得方腔内部流线图，如图4所示，为本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的渗透率对流动的影响示意图，图4中的(a)达西数da＝0.01，图4中的(b)达西数da＝0.005，图4中的(c)达西数da＝0.001，其对应的无量纲控制参数雷诺数re均为2000。
[0087]
如图5所示，为本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的不同达西数下垂直中心线上的水平流动速度曲线图，三条曲线分别对应达西数da＝0.01、da＝0.001和da＝0.005的情况，横坐标代表x方向无量纲坐标位置，纵坐标代表垂直中心线上的水平无量纲速度。
[0088]
步骤s40，基于所述氢气流动和扩散迁移方程，获取表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，并获取水凝胶制备材料满足的物理特性。
[0089]
通过上述公式推导可以获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程，如式(15)所示：f＝re·
daꢀꢀꢀ
(15)
[0090]
其中，re＝u
ref
hφ-1
代表无量纲控制参数雷诺数，da＝k/h2代表达西数，u
ref
代表作为速度尺度的顶部实际流动速度，h代表长度尺度，k代表多孔介质渗透率，φ代表多孔介质孔隙率。
[0091]
式(15)表示多孔介质中流体扩散由惯性力、粘性力以及孔隙阻力三个因素影响，这三个因素涵盖了流体粘度、进口速度、多孔介质渗透性、渗透率以及几何结构等诸多实际因素。对于给定的流体，无量纲控制参数雷诺数re越高、达西数da越高，则进口速度越大、多孔介质的渗透性越强。
[0092]
由图4可知，达西数da反应了流体在扩散过程中的渗透效果，当达西数da越大，多孔介质内部的传热传质过程越剧烈，会在固块中间出现主旋涡，侧面附近出现小旋涡。由于传质扩散的强度比较大，温度在气体释放的过程中分布较为均匀。图5则可以看出，气体扩散
过程中，垂直中心线上的速度分布主要收到达西数da影响，达西数da越大，速度分布越均匀。本发明一个实施例中，固定无量纲控制参数雷诺数re，调整达西数da来获取不同达西数da对流动结构的影响。如图6所示，为本发明氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法一种实施例的无量纲参数对近避免竖直方向速度分布影响示意图，f＝re·
da＝2
×
10n，观察在不同的无量纲控制参数雷诺数的情况下n＝-2，-1，0，1的流动结构图，图6中的(a)的无量纲控制参数雷诺数re＝200，图6中的(b)的无量纲控制参数雷诺数re＝2000，图6中的(c)的无量纲控制参数雷诺数re＝10000。可以看到流动结构转变的临界条件为re·
da＝0.1，即此时开始出现旋涡。当re·
da＝10时，流动结构由原本的单涡结构成为多涡结构，随着re·
da继续增大，涡流开始严重影响气体透过性，流动全部处于顶层，由此可以得出无量纲控制参数雷诺数re≤2400，从而，达西数da∈[8.333
×
10-5
，，4.1667
×
10-3
]。
[0093]
步骤s50，获取氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程，结合所述渗透率方程、所述克努森数和所述水凝胶制备材料满足的物理特性，获得水凝胶孔隙率。
[0094]
表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，如式(16)所示：
[0095]
其中，kn为克努森数，kb为波尔兹曼常数，t代表气体无量纲温度，p为压强，σ为氢气分子直径，为水凝胶空隙特征尺寸。
[0096]
对于氢气在水凝胶交联体中扩散过程，可以类比分形织物纤维集合，设二者的相似度为α，氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程如式(17)所示：
[0097]
其中，κ代表氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率，α代表热扩散系数，a代表水凝胶交联体平均直径，λ
max
代表最大孔径的直径，df为表征分形系数和维数的参数。df可以根据一般的分形参数表查到，或者通过材料类比简单计算获得。
[0098]
本发明最终要获取的是孔隙率φ，单元结构面积a可以由交联体平均直径表征，最大孔径直径λ
max
与交联体形成的网格大小有关，df设定为2。
[0099]
最终，水凝胶孔隙率如式(18)所示：
[0100]
其中，φ代表水凝胶孔隙率，da＝k/h2代表达西数，k代表多孔介质渗透率，h代表长度尺度，β＝r/l代表链长与空隙直径的比值，r代表链长，l代表空隙直径。
[0101]
如果刚好单链能够围绕成圆环，则β存在最大值结合达西数范围da∈[8.333
×
10-5
，，4.1667
×
10-3
]，可以计算得到空隙率的范围为：φ∈[0.02，0.05]。
[0102]
本发明第二实施例的一种检测凝胶制备方法，基于上述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该制备方法主要三个阶段：
[0103]
第一阶段是水凝胶材料的制备，第二阶段是氢敏变色水材料悬浮液的制备，第三
阶段是氢敏变色水凝胶材料的制备。
[0104]
对于第一阶段的水凝胶材料的制备，本发明涉及的水凝胶以聚丙烯氨酰胺(paam)材料为例，但应用时不限于paam水凝胶材料，可以根据应用场景选择其他的材料，本发明在此不一一详述。
[0105]
步骤a10，以2m丙烯酰胺为单体，0.001mn,n
’‑
二甲基双丙烯酰胺为交联剂，0.002m2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮为紫外引发剂，以含量为0.05g/cm3的tween20为表面活性剂，将油醇分散在水相中成小液滴状；
[0106]
步骤a20，将溶液搅拌均匀后倒入模具中，在纯度99.99％的氮气的保护下，以功率密度为4mw/cm2、波长为365nm的紫外光照射8小时，得到paam水凝胶；
[0107]
步骤a30，将所述paam水凝胶在去离子水中反复溶胀3次，并再70℃的烘箱中干燥不同时间，获得不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料；所述水凝胶材料的孔隙率通过调整所述表面活性剂的含量来调整。
[0108]
水凝胶材料自身(脱水状态)的孔隙率以及孔隙尺寸分布可以控制，以保证后续氢敏金属颗粒在孔隙结构中的填充与分散效果。水凝胶通过乳液模板法合成以控制孔隙特征，模板包括但不限于tween20、tween80和油醇形成的乳液，聚二甲基硅氧烷(pdms)等。改变tween20用量可以调节水凝胶的孔径，如在o/w体积比为6/6条件下，当tween20的时，所得水凝胶的孔径分布在1～10μm范围内，孔隙率约40％。
[0109]
本发明制备的材料凝胶率超过99.9％；吸水能力强，颜色透明，一次性制成，厚度、形状和尺寸均可控，可大规模生产；机械性能良好，可拉伸超过自身尺寸2倍；环境稳定性好，65％rh情况下，4h后重量保持率90％以上。
[0110]
对于第二阶段的氢敏变色水材料悬浮液的制备，本发明以镧三氧化钨材料(wo3/la)为例，但应用时不限于镧三氧化钨材料(wo3/la)，可以根据应用场景选择其他的材料，本发明在此不一一详述。
[0111]
步骤a40，将三氧化钨微粉和可溶性镧按照设定比例混合，并通过高能球磨细化活化，获得氢敏变色材料悬浮液：
[0112]
步骤a41，按照设定比例获取三氧化钨微粉和可溶性镧(可以为硝酸镧、氯化镧、硫酸镧等等)，将三氧化钨微粉溶解于设定温度和浓度的氢氧化钠中；镧和钨的摩尔比为1:50-1:20(试验中包括1；50、1:40、1:30、1:20)。为了保证wo3氢敏材料颗粒能顺利进入水凝胶材料的孔隙中，可通过高能球磨细化活化。
[0113]
步骤a42，将设定重量的无水乙醇加入溶解了三氧化钨微粉的溶液中，并搅拌均匀；
[0114]
步骤a43，在搅拌均匀的溶液中加入浓盐酸直至有黄色钨酸生成，再次进行搅拌并对溶液加热，获得凝集的钨酸；
[0115]
步骤a44，在凝集的钨酸中加入可溶性镧，获得镧掺杂三氧化钨悬浮液作为氢敏变色材料悬浮液。
[0116]
第三阶段的氢敏变色水凝胶材料的制备包括：
[0117]
步骤a50，将不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料浸泡于所述氢敏变色材料悬浮液中，通过机械震荡使水凝胶材料完全溶胀；
[0118]
步骤a60，对完全溶胀的水凝胶材料进行真空干燥，获得氢敏显色检测水凝胶。
[0119]
通过控制不饱和paam水凝胶材料含水量控制氢敏变色材料填充量，按重量百分比计，所述氢敏变色水凝胶材料饱和吸水后，其中氢敏材料占比5-10％，水凝胶占比90-95％。真空干燥后的氢敏变色水凝胶重新泡水溶胀，显色凝胶吸水后，氢敏材料或贴附于孔隙壁，或悬浮于在受限水域中，可置于常温湿润环境下中长期存放。
[0120]
经sem观察发现制备的水凝胶材料具有多孔结构且连通，孔隙路径曲折，这为氢气提供了较长的扩散路径以完成显色反应。
[0121]
本发明制备的paam水凝胶颜色透明，通过脱水/溶胀和机械振动操作可以进行工艺调整，比如可根据应用场景适当增加材料厚度防止漏检，应用于阀口、管道与储罐连接处，水凝胶的厚度控制增厚2-10mm。
[0122]
本发明氢敏变色水凝胶使用前处于水不饱和状态，根据气体在多孔介质中的扩散规律，控制含水率来调整氢敏变色水凝胶使用状态时的孔隙率φ∈[0.02，0.05]。孔隙率φ则可通过archimedes排水法测定，如式(19)所示：
[0123]
其中，m1为氢敏变色水凝胶材料不饱和态时的质量(单位：g)，m2为氢敏变色水凝胶材料吸水饱和态样品在水中的悬浮质量(单位：g)，m3为氢敏变色水凝胶材料吸水饱和态样品在空气中的质量(单位：g)。
[0124]
经试验，本发明制备的氢敏变色水凝胶使用时控制吸水量为饱和吸水量的90％-95％。
[0125]
使用时首先对待检测管壁或者储罐壁进行清洁润湿，这样即使是凹形平面，本发明的氢敏变色水凝胶吸收表面及空气当中的水分后亦可实现致密贴合，防止氢气泄露，并实现精准检测。
[0126]
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
[0127]
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0128]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0129]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，该检测凝胶孔隙率计算方法包括：步骤s10，基于气体在多孔介质中的传递规律，通过darcy-brinkman模型表征氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组；步骤s20，基于水凝胶中对流和扩散项的平衡性，将所述热质传递方程组表示为无纲量形式；步骤s30，结合水凝胶固体材料在边界的运动约束条件，获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程；步骤s40，基于所述氢气流动和扩散迁移方程，获取表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，并获取水凝胶制备材料满足的物理特性；步骤s50，获取氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程，结合所述渗透率方程、所述克努森数和所述水凝胶制备材料满足的物理特性，获得水凝胶孔隙率。2.根据权利要求1所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，所述氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：在水凝胶中扩散的热质传递方程组，其表示为：其中，u代表无量纲的x方向速度，v代表无量纲的y方向速度，x代表x坐标，y代表y坐标，p代表无量纲压力，t代表气体无量纲温度，s代表扩散流体的质量浓度，τ代表无量纲时间，r
e
＝u
ref
hφ-1
代表无量纲控制参数雷诺数，d
a
＝k/h2代表达西数，代表格拉晓夫数，p
r
＝vφ/α代表普朗特数，s
c
＝vφ/d代表施密特数，h、u
ref
、δt、δs分别代表长度尺度、作为速度尺度的顶部实际流动速度、温度尺度和浓度尺度，v＝μ/ρ代表流体运动粘度，α代表热扩散系数，d代表质扩散系数，g代表重力加速度，k代表多孔介质渗透率，φ代表水凝胶孔隙率，β
t
代表体积膨胀系数，μ代表运动粘度，ρ代表流体温度为t0时的流体密度。3.根据权利要求2所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，步骤s20中将所述热质传递方程组表示为无纲量形式，其方法为：(x，y)＝(x，y)/h(u，v)＝(u，v)/u
ref
τ＝τ
*
/(h/u
ref
)t＝(t-t0)/δts＝(s-s0)/δsδt＝(t
1-t0)δs＝(s
1-s0)其中，(x，y)代表流体运动的真实坐标，(u，v)代表流体流动速度，τ
*
代表流动时间，ρ和ρ0分别代表流体温度为t0时的流体密度和热源温度为t0时的流体密度，g代表公里加速度，t、t0、t1代表流体温度参数、初始温度、终态温度，s、s0、s1代表浓度参数、初始浓度、终态浓度，h/u
ref
代表时间尺度。4.根据权利要求3所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，所述水凝胶固体材料在边界的运动约束条件为：开口边界处：u0＝1，v＝0，t＝0，底部壁面：u＝0，v＝0，侧壁面：u＝0，v＝0，中间固块：λ
solid
＝λ
fluid
，ρd
solid
＝0；其中，u0代表无量纲初始速度，λ
solid
和λ
fluid
代表固体导热率、流体导热率，d
solid
代表固体质扩散系数。5.根据权利要求1所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，所述水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程，其表示为：f＝r
e
·
d
a
其中，r
e
＝u
ref
hφ-1
代表无量纲控制参数雷诺数，d
a
＝k/h2代表达西数，u
ref
代表作为速度尺度的顶部实际流动速度，h代表长度尺度，k代表多孔介质渗透率，φ代表多孔介质孔隙率。6.根据权利要求1所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，所述表征孔隙尺度与氢气自由程关系的克努森数，其表示为：其中，kn为克努森数，k
b
为波尔兹曼常数，t代表气体无量纲温度，p为压强，σ为氢气分子直径，为水凝胶空隙特征尺寸。7.根据权利要求6所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，所述氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率方程为：其中，κ代表氢气在水凝胶交联体中扩散的渗透率，α代表热扩散系数，a代表水凝胶交联体平均直径，λ
max
代表最大孔径的直径，d
f
为表征分形系数和维数的参数。
8.根据权利要求7所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，其特征在于，所述水凝胶孔隙率为：其中，φ代表水凝胶孔隙率，d
a
＝k/h2代表达西数，k代表多孔介质渗透率，h代表长度尺度，β＝r/l代表链长与空隙直径的比值，r代表链长，l代表空隙直径。9.一种检测凝胶制备方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法，该制备方法包括：步骤a10，以2m丙烯酰胺为单体，0.001mn，n
’‑
二甲基双丙烯酰胺为交联剂，0.002m2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮为紫外引发剂，以含量为0.05g/cm3的tween20为表面活性剂，将油醇分散在水相中成小液滴状；步骤a20，将溶液搅拌均匀后倒入模具中，在纯度99.99％的氮气的保护下，以功率密度为4mw/cm2、波长为365nm的紫外光照射8小时，得到paam水凝胶；步骤a30，将所述paam水凝胶在去离子水中反复溶胀3次，并再70℃的烘箱中干燥不同时间，获得不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料；所述水凝胶材料的孔隙率通过调整所述表面活性剂的含量来调整；步骤a40，将三氧化钨微粉和可溶性镧按照设定比例混合，并通过高能球磨细化活化，获得氢敏变色材料悬浮液；步骤a50，将不同含水率的设定孔隙率的水凝胶材料浸泡于所述氢敏变色材料悬浮液中，通过机械震荡使水凝胶材料完全溶胀；步骤a60，对完全溶胀的水凝胶材料进行真空干燥，获得氢敏显色检测水凝胶。10.根据权利要求9所述的检测凝胶制备方法，其特征在于，步骤a40包括：步骤a41，按照设定比例获取三氧化钨微粉和可溶性镧，将三氧化钨微粉溶解于设定温度和浓度的氢氧化钠中；步骤a42，将设定重量的无水乙醇加入溶解了三氧化钨微粉的溶液中，并搅拌均匀；步骤a43，在搅拌均匀的溶液中加入浓盐酸直至有黄色钨酸生成，再次进行搅拌并对溶液加热，获得凝集的钨酸；步骤a44，在凝集的钨酸中加入可溶性镧，获得镧掺杂三氧化钨悬浮液作为氢敏变色材料悬浮液。

技术总结
本发明属于高分子技术领域，具体涉及了一种氢敏显色检测凝胶孔隙率计算方法、系统及设备，旨在解决现有的胶带检测的检测范围小、可靠性受限于胶带厚度和粘连性，易出现漏检，而孔隙率无法精确计算的水凝胶制备复杂、成品效果不佳的问题。本发明包括：表征氢分子在水凝胶中扩散的热质传递方程组，并表示为无量纲形式；结合边界运动约束条件，获得水凝胶中氢气流动和扩散迁移方程；求解获取材料的物理特性，并计算水凝胶孔隙率；基于水凝胶孔隙率进行相应的材料配比，并进行氢敏显色检测凝胶的制备。本发明计算水凝胶的孔隙率并进行制备中的孔隙率控制，实现氢气泄露的精准定位检测，不易漏检，制备过程简单、凝胶可回收利用，成本低、安全性高。安全性高。安全性高。


技术研发人员：徐周云 朱先忠 张恒涛 李胜利 李德权 杨成林 高雅楠 刘伟 刘晨浩 周海
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司 中国石油天然气管道工程有限公司 中国石油天然气管道科学研究院有限公司
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2023/9/12