多功能壓差式高壓氫與材料相容性的測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于材料力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，特別涉及多功能壓差式高壓氫與材料相容性的測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氣是化石能源的清潔利用以及新能源發(fā)展過(guò)程中重要的組成部分。氫氣通常以高壓氣態(tài)的形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。近些年，由于高壓氫系統(tǒng)壓力走高、服役環(huán)境復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，使得高壓氫系統(tǒng)用材料與氫相容性問(wèn)題(即氫脆問(wèn)題)變得逐漸突出。氫脆會(huì)使得材料的韌性下降，裂紋擴(kuò)展速度變大，進(jìn)而造成高壓氫系統(tǒng)在服役過(guò)程中突然發(fā)生嚴(yán)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(tǒng)的安全，高壓氫系統(tǒng)用材料必須開展與氫相容性的試驗(yàn)研宄。
[0003]要進(jìn)行金屬材料與高壓氫的相容性研宄，應(yīng)當(dāng)在高壓氫環(huán)境下(高達(dá)10MPa)開展材料的力學(xué)性能測(cè)試。這就對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)裝置提出了較高的要求。世界上許多研宄機(jī)構(gòu)都開展了材料在高壓氫環(huán)境中相容性研宄設(shè)備的研發(fā)，但是上述設(shè)備都面臨如下的關(guān)鍵問(wèn)題:
[0004](I)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，操作復(fù)雜
[0005]目前開發(fā)的氫相容性試驗(yàn)裝置多是在傳統(tǒng)材料試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，加上能夠提供高壓氫氣環(huán)境的環(huán)境箱，試樣及其夾具被盛裝在環(huán)境箱內(nèi)部，因此，環(huán)境箱內(nèi)部容積較大，加之其壓力通常較高(高達(dá)10MPa)，造成設(shè)備造價(jià)昂貴。除此之外，較大容積的環(huán)境箱還需要配備相應(yīng)的氫氣供氣系統(tǒng)，整個(gè)設(shè)備操作復(fù)雜，氫氣和人工成本較高。如專利[201110259252.2]中提出的試驗(yàn)裝置，不僅設(shè)備本身的成本較高，且每次試驗(yàn)需多人操作設(shè)備，氫氣消耗量也大。
[0006](2)存在高壓氫氣動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生泄漏
[0007]現(xiàn)有的材料與氫相容性試驗(yàn)裝置中都有貫穿氫環(huán)境箱的加載桿，從而為環(huán)境箱內(nèi)部的試樣提供加載力。為了維持環(huán)境箱內(nèi)部的壓力，加載桿與環(huán)境箱接觸處需設(shè)置動(dòng)密封元件。而實(shí)踐表明，現(xiàn)有的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)壽命非常短，經(jīng)常在使用較短時(shí)間后，因?yàn)槟p及溶氫膨脹等原因而突然發(fā)生失效，造成氫氣的泄漏，存在較大安全隱患。
[0008](3)高壓氫氣環(huán)境中試樣的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量難度大
[0009]在高壓氫氣環(huán)境中，試樣應(yīng)變、力等測(cè)量元件由于受氫氣的影響，信號(hào)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重漂移，造成測(cè)量的不準(zhǔn)確。
[0010](4)試樣的受力狀態(tài)與實(shí)際構(gòu)件的受力狀態(tài)間存在較大差異
[0011]通常，高壓儲(chǔ)氫容器的筒壁在服役過(guò)程中受兩向應(yīng)力或三向應(yīng)力的作用。而現(xiàn)有的試驗(yàn)機(jī)通常是測(cè)試試樣在單向應(yīng)力作用下的失效行為，與構(gòu)件的實(shí)際服役狀況還存在一定差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(lái)對(duì)圓盤試樣施加載荷的實(shí)驗(yàn)方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是:
[0013]提供多功能壓差式高壓氫與材料相容性的試驗(yàn)裝置，能在高壓氫環(huán)境下(高達(dá)10MPa)對(duì)圓盤試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，所述試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)腔體、氣動(dòng)增壓泵、低壓儲(chǔ)罐、高壓儲(chǔ)罐、真空泵、氫氣瓶組、氬氣瓶組和控制系統(tǒng)模塊；
[0014]所述試驗(yàn)腔體包括端蓋、上部腔體、下部腔體、壓環(huán)，上部腔體、下部腔體的內(nèi)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(guò)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(jìn)行密封，加蓋端蓋后能實(shí)現(xiàn)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(shè)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(shè)置有O型圈用于密封；所述壓環(huán)內(nèi)嵌在上部腔體內(nèi)，且與上部腔體過(guò)盈配合，壓環(huán)用于向放置在下部腔體凹槽內(nèi)的圓盤試樣施加壓應(yīng)力，壓環(huán)與上部腔體之間、壓環(huán)與圓盤試樣之間都分別設(shè)置有O型圈用于密封；壓環(huán)采用環(huán)形壓環(huán)，壓環(huán)的外直徑與圓盤試樣的直徑相同，壓環(huán)的內(nèi)直徑與上部腔體的內(nèi)直徑、下部腔體的內(nèi)直徑相同；上部腔體與下部腔體上分別設(shè)置有上部腔體通氣口和下部腔體通氣口；
[0015]所述氫氣瓶組用于提供試驗(yàn)用氫氣，所述氬氣瓶組用于提供置換和試驗(yàn)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(chǔ)罐的進(jìn)氣口，低壓儲(chǔ)罐的排出口連接至氣動(dòng)增壓泵，氣動(dòng)增壓泵連接至高壓儲(chǔ)罐，高壓儲(chǔ)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(shè)有直接連至低壓儲(chǔ)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(chǔ)罐；上部腔體通氣口和下部腔體通氣口設(shè)有直接連至氬氣瓶組的置換管路，用于對(duì)上部腔體或下部腔體進(jìn)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(jìn)氣口連接；
[0016]所述放氫回路上設(shè)有放氫回路閥門，上部腔體通氣口處設(shè)有上部腔體流量控制閥門，下部腔體通氣口處設(shè)有下部腔體流量控制閥門，真空泵的進(jìn)氣口處設(shè)有真空泵閥門，高壓儲(chǔ)罐的排氣口處設(shè)有高壓儲(chǔ)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(chǔ)罐的進(jìn)氣口處、置換管路上分別設(shè)有閥門A、閥門B、閥門C、閥門D ;
[0017]所述控制系統(tǒng)模塊用于控制氣動(dòng)增壓泵和真空泵的運(yùn)行、所有閥門的開度。其實(shí)現(xiàn)方式可采用硬件、軟件或硬件與軟件的結(jié)合。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明所述功能，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)手段加以利用以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。由于這些內(nèi)容并非本發(fā)明重點(diǎn)，故不再贅述。
[0018]在本發(fā)明中，所述上部腔體通氣口、下部腔體通氣口還設(shè)有放空管路，并設(shè)有放空閥門用于控制；
[0019]所述上部腔體通氣口、下部腔體通氣口之間還設(shè)有支路用于連通，且支路上設(shè)置有支路閥門；即上部腔體通氣口、下部腔體通氣口之間設(shè)有經(jīng)過(guò)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；
[0020]所述氫氣瓶組的排氣口、氬氣瓶組的排氣口之間還設(shè)有支路用于連通，且支路上設(shè)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(shè)有經(jīng)過(guò)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(chǔ)罐的進(jìn)氣口之間的連通管路經(jīng)過(guò)閥門A、閥門C，氬氣瓶組的排氣口、低壓儲(chǔ)罐的進(jìn)氣口之間的連通管路經(jīng)過(guò)閥門B、閥門E、閥門C。
[0021]在本發(fā)明中，所述試驗(yàn)腔體、低壓儲(chǔ)罐、高壓儲(chǔ)罐內(nèi)都設(shè)置有壓力傳感器，并能通過(guò)控制系統(tǒng)模塊控制試驗(yàn)腔體、低壓儲(chǔ)罐、高壓儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力信號(hào)采集。
[0022]在本發(fā)明中，所述試驗(yàn)腔體的設(shè)計(jì)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(huán)采用由抗拉強(qiáng)度大于SOOMPa的高強(qiáng)鋼制造的壓環(huán)。
[0023]提供基于所述試驗(yàn)裝置的爆破試驗(yàn)測(cè)試方法，具體包括下述步驟:
[0024]步驟A:分離上部腔體和下部腔體，裝設(shè)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(duì)圓盤試樣布置位移測(cè)試裝置和應(yīng)變測(cè)試裝置；
[0025]步驟B:用真空泵抽掉試驗(yàn)裝置及附屬管道內(nèi)的殘余空氣，直到系統(tǒng)內(nèi)真空度達(dá)到設(shè)定值后，使用氣動(dòng)增壓泵對(duì)高壓儲(chǔ)罐進(jìn)行高壓氫氣充裝，直到高壓儲(chǔ)罐內(nèi)氫氣壓力達(dá)到設(shè)定值；
[0026]步驟C:再次使用真空泵對(duì)下部腔體及其附屬的管路進(jìn)行抽真空至設(shè)定真空度后，關(guān)閉真空泵，通過(guò)下部腔體流量控制閥門使高壓儲(chǔ)罐內(nèi)的氫氣以特定的速率進(jìn)入下部腔體內(nèi)，直至圓盤試樣爆破，切斷氫氣源，記錄爆破壓力，并在試驗(yàn)過(guò)程中記錄圓盤試樣的應(yīng)變和位移；
[0027]步驟D:使用氬氣對(duì)試驗(yàn)腔體和管路內(nèi)的氫氣進(jìn)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。
[0028]提供基于