本發(fā)明涉及氫環(huán)境力學(xué)性能測試，特別是涉及一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在高溫（600℃左右）高壓（10mpa左右）氫氣環(huán)境中，氫原子進入材料后會導(dǎo)致材料發(fā)生氫脆現(xiàn)象，使材料力學(xué)及腐蝕性能下降，影響材料長期服役過程中的安全性與可靠性，因此，需要對材料在高溫高壓氫氣環(huán)境中服役性能進行測試評價。

2、為了對微試樣進行原位測試，目前已出現(xiàn)了一種氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試裝置（公開號cn117169012a），包括氫環(huán)境微試樣加載系統(tǒng)，氫環(huán)境微試樣加載系統(tǒng)是由微試樣加載系統(tǒng)與氫環(huán)境腔相連所構(gòu)成，以能夠經(jīng)由所述微試樣加載系統(tǒng)對微試樣施加力載荷，并獲取微試樣在氫環(huán)境下的力學(xué)性能變化參數(shù)。

3、現(xiàn)有的氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試裝置，設(shè)置了氫環(huán)境腔，測試過程中所用氫氣量較大，不僅使用成本高，還會存在較高的爆炸風(fēng)險，其為了降低爆炸風(fēng)險，在氫環(huán)境腔周側(cè)設(shè)置了惰性氣體保護腔，但整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且通過惰性氣體保護腔與氫環(huán)境腔換熱效率低；另外，微試樣加載系統(tǒng)的夾具暴露于氫環(huán)境腔內(nèi)，夾具外壁與氫環(huán)境腔內(nèi)的氫氣接觸，不僅會影響夾具的使用壽命，還會因夾具外壁與氫氣的反應(yīng)，影響氫氣的純度以及濃度，進而影響后續(xù)微試樣的測試。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述背景技術(shù)中存在的現(xiàn)有氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試裝置測試過程中所用氫氣量較大，使用成本高、爆炸風(fēng)險高、加熱效率低下，且夾具使用壽命短的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置及方法。

2、本發(fā)明技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，包括溫度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有臨氫微試樣夾具，臨氫微試樣夾具的內(nèi)部設(shè)有駐氣腔，駐氣腔為倒置的t型氣道結(jié)構(gòu)，駐氣腔的上部開口處用于放置試樣，駐氣腔的兩端開口分別通過管路連接有高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)，臨氫微試樣夾具的上方設(shè)有力學(xué)加載系統(tǒng)，力學(xué)加載系統(tǒng)用于對臨氫微試樣夾具內(nèi)所夾持的試樣進行加載，駐氣腔與高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)連接，使得高壓氫氣能夠循環(huán)流動，保證了與試樣接觸反應(yīng)的氫氣濃度維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，且駐氣腔內(nèi)的氫氣體積較小，有效降低了使用成本以及爆炸風(fēng)險，同時提高了升溫速度，另外，氫氣僅與駐氣腔接觸，不與臨氫微試樣夾具的其他位置接觸，接觸反應(yīng)面積小，有效提高了臨氫微試樣夾具的使用壽命。

4、優(yōu)選的，臨氫微試樣夾具包括可拆卸連接的上夾座和下夾座，上夾座含有凸起部，下夾座含有容納槽，駐氣腔設(shè)置在下夾座內(nèi)，且駐氣腔的上部開口與容納槽連通，凸起部插裝在容納槽內(nèi)并壓緊試樣，試樣與容納槽之間設(shè)有密封圈，凸起部與容納槽的配合方式，有效提高了對試樣的壓緊效果，試樣與容納槽之間的密封圈保證了密封效果，避免了駐氣腔內(nèi)氫氣的泄露。

5、優(yōu)選的，上夾座上設(shè)有通孔，通孔與容納槽同軸設(shè)置，便于力學(xué)加載系統(tǒng)對試樣的加載，力學(xué)加載系統(tǒng)穿過通孔向試樣加載。

6、優(yōu)選的，高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)包括氣瓶和氣體儲存罐，氣瓶通過管路與氣體儲存罐連接，氣體儲存罐上設(shè)有氣壓表和第一氫濃度傳感器，氣體儲存罐通過進氣管與駐氣腔的進氣端連接，氣體儲存罐通過出氣管與駐氣腔的排氣端連接，能夠在反應(yīng)前提前調(diào)節(jié)氫氣濃度，保證測試的準(zhǔn)確性，同時便于對氫氣的濃度、壓力進行在線監(jiān)測。

7、優(yōu)選的，進氣管上沿氫氣流動方向依次設(shè)有氣壓泵、第一單向閥和第二氫壓表，以用于將氫氣按照設(shè)定壓力泵入駐氣腔內(nèi)，同時對氫氣壓力進行在線監(jiān)測，出氣管上沿氫氣的流動方向依次設(shè)有第一氫壓表、氣體冷卻單元、減壓閥、第三氫壓表和第二單向閥，能夠?qū)鸟v氣腔內(nèi)排出的氫氣進行冷卻調(diào)壓，以使得氫氣重新進入氣體儲存罐進行循環(huán)利用。

8、優(yōu)選的，駐氣腔的出氣端通過廢氣管連接有廢氣罐，出氣管上設(shè)有第一閥門，廢氣管上設(shè)有第二閥門和第二氫濃度傳感器，廢氣罐能夠?qū)︸v氣腔內(nèi)的空氣進行回收儲存，避免空氣對測試的影響，第二氫濃度傳感器可以與第一氫濃度傳感器配合，以保證對駐氣腔內(nèi)空氣排放程度進行在線監(jiān)測。

9、優(yōu)選的，溫度控制系統(tǒng)包括高溫高壓釜、加熱片和預(yù)熱單元，臨氫微試樣夾具整體放置在高溫高壓釜內(nèi)，加熱片設(shè)置在高溫高壓釜的周側(cè)，預(yù)熱單元設(shè)置在進氣管上，預(yù)熱單元可以提前對氫氣進行加熱，以便于氫氣在高溫高壓釜內(nèi)二次加熱時的二次升溫，提高了測試效率。

10、本發(fā)明提供了一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的方法，具體如下：

11、組裝測試裝置并放入試樣；

12、將駐氣腔與廢氣罐連通，根據(jù)測試需求調(diào)節(jié)氣體儲存罐內(nèi)的氫氣濃度，啟動氣壓泵，利用高壓氫氣將駐氣腔內(nèi)的空氣排放至廢氣罐內(nèi)，比對第一氫濃度傳感器和第二氫濃度傳感器的氫濃度值，符合要求時，關(guān)閉第二閥門和氣壓泵；

13、啟動加熱片，打開第一閥門，并啟動預(yù)熱單元和氣壓泵，通過氣壓泵將氫氣泵入駐氣腔內(nèi)并循環(huán)流回氣體儲存罐內(nèi)，控制高溫高壓釜達到試驗所需溫度并維持1小時；

14、加載單元對試樣加載，當(dāng)試驗載荷下降至最大載荷的75％時停止試驗，冷卻后取出試樣并分析。

15、優(yōu)選的，當(dāng)?shù)谝粴鋲罕砗偷诙鋲罕淼氖緮?shù)差值大于0.5mpa時認定駐氣腔內(nèi)氣體泄露，自動停止試驗，減小了安全隱患。

16、優(yōu)選的，氫氣在進氣管內(nèi)提前預(yù)熱，進入駐氣腔內(nèi)后利用加熱片進一步加熱，提高了氫氣的加熱效率及安全性。

17、通過以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

18、1、在臨氫微試樣夾具內(nèi)設(shè)置了駐氣腔，使得駐氣腔與高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)連接，使得高壓氫氣能夠循環(huán)流動，保證了與試樣接觸反應(yīng)的氫氣濃度維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，且駐氣腔內(nèi)體積小，試驗區(qū)域所需氫氣量少，有效降低了使用成本以及爆炸風(fēng)險，同時提高了升溫速度，另外，氫氣僅與駐氣腔接觸，不與臨氫微試樣夾具的其他位置接觸，接觸反應(yīng)面積小，有效提高了臨氫微試樣夾具的使用壽命。

19、2、預(yù)熱單元設(shè)置在進氣管上，以用于對進氣管內(nèi)的氫氣進行預(yù)熱，通過預(yù)熱單元與加熱片之間的配合，有效縮短了高溫高壓釜內(nèi)氫氣的升溫時間，提高了加熱效率，可使循環(huán)流動的氫氣在駐氣腔內(nèi)快速達到實驗溫度，同時，預(yù)熱單元和加熱片不直接對氫氣加熱，而是通過管壁、釜壁與氫氣換熱，避免了氫氣的爆炸風(fēng)險。

20、3、在駐氣腔的兩端分別設(shè)置了第一氫壓表和第二氫壓表，通過第一氫壓表和第二氫壓表的示數(shù)差進行駐氣腔內(nèi)氣體泄露的在線監(jiān)測，有效提高了測試過程中的安全性。

技術(shù)特征：

1.一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，包括：溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，溫度控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有臨氫微試樣夾具（6），臨氫微試樣夾具（6）的內(nèi)部設(shè)有駐氣腔（21），駐氣腔（21）為倒置的t型氣道結(jié)構(gòu)，駐氣腔（21）的上部開口處用于放置試樣（23），駐氣腔（21）的兩端開口分別通過管路連接有高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)，臨氫微試樣夾具（6）的上方設(shè)有力學(xué)加載系統(tǒng)，力學(xué)加載系統(tǒng)用于對臨氫微試樣夾具（6）內(nèi)所夾持的試樣（23）進行加載。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，其特征在于，臨氫微試樣夾具（6）包括可拆卸連接的上夾座（26）和下夾座（25），上夾座（26）含有凸起部，下夾座（25）含有容納槽，駐氣腔（21）設(shè)置在下夾座（25）內(nèi)，且駐氣腔（21）的上部開口與容納槽連通，凸起部插裝在容納槽內(nèi)并壓緊試樣（23），試樣（23）與容納槽之間設(shè)有密封圈（22）。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，其特征在于，上夾座（26）上設(shè)有通孔，通孔與容納槽同軸設(shè)置，力學(xué)加載系統(tǒng)穿過通孔向試樣（23）加載。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，其特征在于，高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)包括氣瓶（12）和氣體儲存罐（13），氣瓶（12）通過管路與氣體儲存罐（13）連接，氣體儲存罐（13）上設(shè)有氣壓表（14）和第一氫濃度傳感器（32），氣體儲存罐（13）通過進氣管（19）與駐氣腔（21）的進氣端連接，氣體儲存罐（13）通過出氣管（20）與駐氣腔（21）的排氣端連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，其特征在于，進氣管（19）上沿氫氣流動方向依次設(shè)有氣壓泵（11）、第一單向閥（10）和第二氫壓表（9），出氣管（20）上沿氫氣的流動方向依次設(shè)有第一氫壓表（3）、氣體冷卻單元（18）、減壓閥（17）、第三氫壓表（16）和第二單向閥（15）。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，其特征在于，駐氣腔（21）的出氣端通過廢氣管（29）連接有廢氣罐（28），出氣管（20）上設(shè)有第一閥門（30），廢氣管（29）上設(shè)有第二閥門（31）和第二氫濃度傳感器（33）。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，其特征在于，溫度控制系統(tǒng)包括高溫高壓釜（4）、加熱片（5）和預(yù)熱單元（8），臨氫微試樣夾具（6）整體放置在高溫高壓釜（4）內(nèi)，加熱片（5）設(shè)置在高溫高壓釜（4）的周側(cè)，預(yù)熱單元（8）設(shè)置在進氣管（19）上。

8.一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的方法，其特征在于，利用了如權(quán)利要求1-7中任一項所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置，具體如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝粴鋲罕恚?）和第二氫壓表（9）的示數(shù)差值大于0.5mpa時認定駐氣腔（21）內(nèi)氣體泄露，自動停止試驗。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的方法，其特征在于，氫氣在進氣管（19）內(nèi)提前預(yù)熱，進入駐氣腔（21）內(nèi)后利用加熱片（5）進一步加熱。

技術(shù)總結(jié)
一種高溫高壓臨氫環(huán)境微試樣力學(xué)性能測試的裝置及方法，屬于氫環(huán)境力學(xué)性能測試技術(shù)領(lǐng)域，包括溫度控制系統(tǒng)、臨氫微試樣夾具、高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)和力學(xué)加載系統(tǒng)，臨氫微試樣夾具的內(nèi)部設(shè)有駐氣腔，駐氣腔為倒置的T型氣道結(jié)構(gòu)，駐氣腔的上部開口處用于放置試樣，駐氣腔的兩端開口分別通過管路連接有高壓氫氣循環(huán)系統(tǒng)，使得高壓氫氣能夠循環(huán)流動，保證了與試樣接觸反應(yīng)的氫氣濃度維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，且駐氣腔內(nèi)的氫氣體積較小，有效降低了使用成本以及爆炸風(fēng)險，同時提高了升溫速度，另外，氫氣僅與駐氣腔接觸，不與臨氫微試樣夾具的其他位置接觸，接觸反應(yīng)面積小，有效提高了臨氫微試樣夾具的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：范宇,劉少軍,吳宜燦
受保護的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9