多功能壓差式高壓氫與材料相容性的測試方法技術

本發明專利技術涉及材料力學性能測試設備開發領域，旨在提供多功能壓差式高壓氫與材料相容性的測試方法。該多功能壓差式高壓氫與材料相容性的測試方法包括爆破試驗測試方法、變氫壓疲勞試驗測試方法、恒定氫壓疲勞試驗測試方法。本發明專利技術利用圓盤試樣上下表面的壓差來對圓盤試樣施加載荷的方法，避免了復雜的伺服試驗機構，設備體積極大地縮小，設備投入降低，操作簡便，試驗效率提高；且在試驗過程中，圓盤試樣的應變和位移等參數可方便地進行測量，相應測試元件不受高壓氫氣的影響。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是關于材料力學性能測試設備開發領域，特別涉及。
技術介紹
氫氣是化石能源的清潔利用以及新能源發展過程中重要的組成部分。氫氣通常以高壓氣態的形式進行儲存和運輸。近些年，由于高壓氫系統壓力走高、服役環境復雜化的發展趨勢，使得高壓氫系統用材料與氫相容性問題(即氫脆問題)變得逐漸突出。氫脆會使得材料的韌性下降，裂紋擴展速度變大，進而造成高壓氫系統在服役過程中突然發生嚴重失效，給人民群眾的安全造成極大隱患。為了保障高壓氫系統的安全，高壓氫系統用材料必須開展與氫相容性的試驗研宄。要進行金屬材料與高壓氫的相容性研宄，應當在高壓氫環境下(高達10MPa)開展材料的力學性能測試。這就對相應的試驗裝置提出了較高的要求。世界上許多研宄機構都開展了材料在高壓氫環境中相容性研宄設備的研發，但是上述設備都面臨如下的關鍵問題:(I)設備結構復雜，成本高，操作復雜目前開發的氫相容性試驗裝置多是在傳統材料試驗機的基礎上，加上能夠提供高壓氫氣環境的環境箱，試樣及其夾具被盛裝在環境箱內部，因此，環境箱內部容積較大，加之其壓力通常較高(高達10MPa)，造成設備造價昂貴。除此之外，較大容積的環境箱還需要配備相應的氫氣供氣系統，整個設備操作復雜，氫氣和人工成本較高。如專利中提出的試驗裝置，不僅設備本身的成本較高，且每次試驗需多人操作設備，氫氣消耗量也大。(2)存在高壓氫氣動密封結構，容易發生泄漏現有的材料與氫相容性試驗裝置中都有貫穿氫環境箱的加載桿，從而為環境箱內部的試樣提供加載力。為了維持環境箱內部的壓力，加載桿與環境箱接觸處需設置動密封元件。而實踐表明，現有的動密封結構壽命非常短，經常在使用較短時間后，因為磨損及溶氫膨脹等原因而突然發生失效，造成氫氣的泄漏，存在較大安全隱患。(3)高壓氫氣環境中試樣的各項參數測量難度大在高壓氫氣環境中，試樣應變、力等測量元件由于受氫氣的影響，信號會發生嚴重漂移，造成測量的不準確。(4)試樣的受力狀態與實際構件的受力狀態間存在較大差異通常，高壓儲氫容器的筒壁在服役過程中受兩向應力或三向應力的作用。而現有的試驗機通常是測試試樣在單向應力作用下的失效行為，與構件的實際服役狀況還存在一定差距。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于克服現有技術中的不足，提供一種采用圓盤狀薄片作為試樣，利用圓盤試樣上下表面的壓差來對圓盤試樣施加載荷的實驗方法。為解決上述技術問題，本專利技術的解決方案是:提供多功能壓差式高壓氫與材料相容性的試驗裝置，能在高壓氫環境下(高達10MPa)對圓盤試樣進行力學性能測試，所述試驗裝置包括試驗腔體、氣動增壓泵、低壓儲罐、高壓儲罐、真空泵、氫氣瓶組、氬氣瓶組和控制系統模塊；所述試驗腔體包括端蓋、上部腔體、下部腔體、壓環，上部腔體、下部腔體的內部中心空腔形成連通的空腔通道，端蓋與上部腔體之間、上部腔體與下部腔體之間分別通過端蓋螺栓、上部腔體螺栓連接，且連接處都采用O型圈作為密封元件進行密封，加蓋端蓋后能實現空腔通道的密封；下部腔體在與上部腔體的接觸面上，即下部腔體的上表面上，設有用于放置圓盤試樣的凹槽，且圓盤試樣與下部腔體的凹槽間設置有O型圈用于密封；所述壓環內嵌在上部腔體內，且與上部腔體過盈配合，壓環用于向放置在下部腔體凹槽內的圓盤試樣施加壓應力，壓環與上部腔體之間、壓環與圓盤試樣之間都分別設置有O型圈用于密封；壓環采用環形壓環，壓環的外直徑與圓盤試樣的直徑相同，壓環的內直徑與上部腔體的內直徑、下部腔體的內直徑相同；上部腔體與下部腔體上分別設置有上部腔體通氣口和下部腔體通氣口；所述氫氣瓶組用于提供試驗用氫氣，所述氬氣瓶組用于提供置換和試驗用的氬氣，氫氣瓶組的排氣口、氬氣瓶組的排氣口分別連接至低壓儲罐的進氣口，低壓儲罐的排出口連接至氣動增壓泵，氣動增壓泵連接至高壓儲罐，高壓儲罐的排氣口分別與上部腔體通氣口和下部腔體通氣口連通；上部腔體通氣口和下部腔體通氣口設有直接連至低壓儲罐的放氫回路，用于將上部腔體或下部腔體中排放出的氫氣回收至低壓儲罐；上部腔體通氣口和下部腔體通氣口設有直接連至氬氣瓶組的置換管路，用于對上部腔體或下部腔體進行氣體置換；上部腔體通氣口、下部腔體通氣口還與真空泵的進氣口連接；所述放氫回路上設有放氫回路閥門，上部腔體通氣口處設有上部腔體流量控制閥門，下部腔體通氣口處設有下部腔體流量控制閥門，真空泵的進氣口處設有真空泵閥門，高壓儲罐的排氣口處設有高壓儲罐出口閥；所述氫氣瓶組的排氣口處、氬氣瓶組的排氣口處、低壓儲罐的進氣口處、置換管路上分別設有閥門A、閥門B、閥門C、閥門D ;所述控制系統模塊用于控制氣動增壓泵和真空泵的運行、所有閥門的開度。其實現方式可采用硬件、軟件或硬件與軟件的結合。本領域技術人員可根據本專利技術所述功能，對現有技術手段加以利用以實現相關功能。由于這些內容并非本專利技術重點，故不再贅述。在本專利技術中，所述上部腔體通氣口、下部腔體通氣口還設有放空管路，并設有放空閥門用于控制；所述上部腔體通氣口、下部腔體通氣口之間還設有支路用于連通，且支路上設置有支路閥門；即上部腔體通氣口、下部腔體通氣口之間設有經過上部腔體流量控制閥門、支路閥門、下部腔體流量控制閥門的連通管路；所述氫氣瓶組的排氣口、氬氣瓶組的排氣口之間還設有支路用于連通，且支路上設置有閥門E ;即氫氣瓶組的排氣口、氬氣瓶組的排氣口之間設有經過閥門A、閥門E、閥門B的連通管路，并保證氫氣瓶組的排氣口、低壓儲罐的進氣口之間的連通管路經過閥門A、閥門C，氬氣瓶組的排氣口、低壓儲罐的進氣口之間的連通管路經過閥門B、閥門E、閥門C。在本專利技術中，所述試驗腔體、低壓儲罐、高壓儲罐內都設置有壓力傳感器，并能通過控制系統模塊控制試驗腔體、低壓儲罐、高壓儲罐內的壓力信號采集。在本專利技術中，所述試驗腔體的設計壓力為35?lOOMPa，且上部腔體和下部腔體都采用由奧氏體不銹鋼制造的腔體，壓環采用由抗拉強度大于SOOMPa的高強鋼制造的壓環。提供基于所述試驗裝置的爆破試驗測試方法，具體包括下述步驟:步驟A:分離上部腔體和下部腔體，裝設好圓盤試樣后，用上部腔體螺栓密閉接合上部腔體和下部腔體，移除端蓋，利用上部腔體的中心空腔對圓盤試樣布置位移測試裝置和應變測試裝置；步驟B:用真空泵抽掉試驗裝置及附屬管道內的殘余空氣，直到系統內真空度達到設定值后，使用氣動增壓泵對高壓儲罐進行高壓氫氣充裝，直到高壓儲罐內氫氣壓力達到設定值；步驟C:再次使用真空泵對下部腔體及其附屬的管路進行抽真空至設定真空度后，關閉真空泵，通過下部腔體流量控制閥門使高壓儲罐內的氫氣以特定的速率進入下部腔體內，直至圓盤試樣爆破，切斷氫氣源，記錄爆破壓力，并在試驗過程中記錄圓盤試樣的應變和位移；步驟D:使用氬氣對試驗腔體和管路內的氫氣進行至少一次置換后，分離上部腔體和下部腔體，取出圓盤試樣。提供基于當前第1頁1 2 3 4 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
多功能壓差式高壓氫與材料相容性的爆破試驗測試方法，其特征在于，基于多功能壓差式高壓氫與材料相容性的試驗裝置，在高壓氫環境下對圓盤試樣進行力學性能測試，所述爆破試驗測試方法具體包括下述步驟：步驟A：分離上部腔體和下部腔體，裝設好圓盤試樣后，用上部腔體螺栓密閉接合上部腔體和下部腔體，移除端蓋，利用上部腔體的中心空腔對圓盤試樣布置位移測試裝置和應變測試裝置；步驟B：用真空泵抽掉試驗裝置及附屬管道內的殘余空氣，直到系統內真空度達到設定值后，使用氣動增壓泵對高壓儲罐進行高壓氫氣充裝，直到高壓儲罐內氫氣壓力達到設定值；步驟C：再次使用真空泵對下部腔體及其附屬的管路進行抽真空至設定真空度后，關閉真空泵，通過下部腔體流量控制閥門使高壓儲罐內的氫氣以特定的速率進入下部腔體內，直至圓盤試樣爆破，切斷氫氣源，記錄爆破壓力，并在試驗過程中記錄圓盤試樣的應變和位移；步驟D：使用氬氣對試驗腔體和管路內的氫氣進行至少一次置換后，分離上部腔體和下部腔體，取出圓盤試樣。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭津洋，花爭立，趙永志，顧超華，劉鵬飛，崔天成，黃改，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33