多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置的制造方法
多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置。
【背景技术】
[0002]氢气是化石能源的清洁利用以及新能源发展过程中重要的组成部分。氢气通常以高压气态的形式进行储存和运输。近些年，由于高压氢系统压力走高、服役环境复杂化的发展趋势，使得高压氢系统用材料与氢相容性问题(即氢脆问题)变得逐渐突出。氢脆会使得材料的韧性下降，裂纹扩展速度变大，进而造成高压氢系统在服役过程中突然发生严重失效，给人民群众的安全造成极大隐患。为了保障高压氢系统的安全，高压氢系统用材料必须开展与氢相容性的试验研宄。
[0003]要进行金属材料与高压氢的相容性研宄，应当在高压氢环境下(高达10MPa)开展材料的力学性能测试。这就对相应的试验装置提出了较高的要求。世界上许多研宄机构都开展了材料在高压氢环境中相容性研宄设备的研发，但是上述设备都面临如下的关键问题:
[0004](I)设备结构复杂，成本高，操作复杂
[0005]目前开发的氢相容性试验装置多是在传统材料试验机的基础上，加上能够提供高压氢气环境的环境箱，试样及其夹具被盛装在环境箱内部，因此，环境箱内部容积较大，加之其压力通常较高(高达10MPa)，造成设备造价昂贵。除此之外，较大容积的环境箱还需要配备相应的氢气供气系统，整个设备操作复杂，氢气和人工成本较高。如专利[201110259252.2]中提出的试验装置，不仅设备本身的成本较高，且每次试验需多人操作设备，氢气消耗量也大。
[0006](2)存在高压氢气动密封结构，容易发生泄漏
[0007]现有的材料与氢相容性试验装置中都有贯穿氢环境箱的加载杆，从而为环境箱内部的试样提供加载力。为了维持环境箱内部的压力，加载杆与环境箱接触处需设置动密封元件。而实践表明，现有的动密封结构寿命非常短，经常在使用较短时间后，因为磨损及溶氢膨胀等原因而突然发生失效，造成氢气的泄漏，存在较大安全隐患。
[0008](3)高压氢气环境中试样的各项参数测量难度大
[0009]在高压氢气环境中，试样应变、力等测量元件由于受氢气的影响，信号会发生严重漂移，造成测量的不准确。
[0010](4)试样的受力状态与实际构件的受力状态间存在较大差异
[0011]通常，高压储氢容器的筒壁在服役过程中受两向应力或三向应力的作用。而现有的试验机通常是测试试样在单向应力作用下的失效行为，与构件的实际服役状况还存在一定差距。
【发明内容】
[0012]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用圆盘状薄片作为试样，利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的实验装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0013]提供多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，能在高压氢环境下(高达10MPa)对圆盘试样进行力学性能测试，所述试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块；
[0014]所述试验腔体包括端盖、上部腔体、下部腔体、压环，上部腔体、下部腔体的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖与上部腔体之间、上部腔体与下部腔体之间分别通过端盖螺栓、上部腔体螺栓连接，且连接处都采用O型圈作为密封元件进行密封，加盖端盖后能实现空腔通道的密封；下部腔体在与上部腔体的接触面上，即下部腔体的上表面上，设有用于放置圆盘试样的凹槽，且圆盘试样与下部腔体的凹槽间设置有O型圈用于密封；所述压环内嵌在上部腔体内，且与上部腔体过盈配合，压环用于向放置在下部腔体凹槽内的圆盘试样施加压应力，压环与上部腔体之间、压环与圆盘试样之间都分别设置有O型圈用于密封；压环采用环形压环，压环的外直径与圆盘试样的直径相同，压环的内直径与上部腔体的内直径、下部腔体的内直径相同；上部腔体与下部腔体上分别设置有上部腔体通气口和下部腔体通气口；
[0015]所述氢气瓶组用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口分别连接至低压储罐的进气口，低压储罐的排出口连接至气动增压泵，气动增压泵连接至高压储罐，高压储罐的排气口分别与上部腔体通气口和下部腔体通气口连通；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至低压储罐的放氢回路，用于将上部腔体或下部腔体中排放出的氢气回收至低压储罐；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至氩气瓶组的置换管路，用于对上部腔体或下部腔体进行气体置换；上部腔体通气口、下部腔体通气口还与真空泵的进气口连接；
[0016]所述放氢回路上设有放氢回路阀门，上部腔体通气口处设有上部腔体流量控制阀门，下部腔体通气口处设有下部腔体流量控制阀门，真空泵的进气口处设有真空泵阀门，高压储罐的排气口处设有高压储罐出口阀；所述氢气瓶组的排气口处、氩气瓶组的排气口处、低压储罐的进气口处、置换管路上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D ;
[0017]所述控制系统模块用于控制气动增压泵和真空泵的运行、所有阀门的开度。其实现方式可采用硬件、软件或硬件与软件的结合。本领域技术人员可根据本发明所述功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能。由于这些内容并非本发明重点，故不再赘述。
[0018]在本发明中，所述上部腔体通气口、下部腔体通气口还设有放空管路，并设有放空阀门用于控制；
[0019]所述上部腔体通气口、下部腔体通气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门；即上部腔体通气口、下部腔体通气口之间设有经过上部腔体流量控制阀门、支路阀门、下部腔体流量控制阀门的连通管路；
[0020]所述氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。
[0021]在本发明中，所述试验腔体、低压储罐、高压储罐内都设置有压力传感器，并能通过控制系统模块控制试验腔体、低压储罐、高压储罐内的压力信号采集。
[0022]在本发明中，所述试验腔体的设计压力为35?lOOMPa，且上部腔体和下部腔体都采用由奥氏体不锈钢制造的腔体，压环采用由抗拉强度大于SOOMPa的高强钢制造的压环。
[0023]提供基于所述试验装置的爆破试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0024]步骤A:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，移除端盖，利用上部腔体的中心空腔对圆盘试样布置位移测试装置和应变测试装置；
[0025]步骤B:用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0026]步骤C:再次使用真空泵对下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度后，关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至圆盘试样爆破，切断氢气源，记录爆破压力，并在 试验过程中记录圆盘试样的应变和位移；
[0027]步骤D:使用氩气对试验腔体和管路内的氢气进行至少一次置换后，分离上部腔体和下部腔体，取出圆盘试样。
[0028]提供基于所述试验装置的变氢压疲劳试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0029]步骤E:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，移除端盖，利用上部腔体的中心空腔对圆盘试样布置位移测试装置和应变测试装置；
[0030]步骤F:用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0031]步骤G:再次使用真空泵对下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度后，关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至压力达到试验压力上限后(试验压力上限小于圆盘试样的爆破压力)，停止充氢，而后将下部腔体内的氢气排放至低压储罐，当下部腔体内压力达到试验压力下限后，停止放氢，随后连续重复上述充氢、放氢过程，直到圆盘试样破坏；
[0032]步骤H:记录圆盘试样破坏前经历的疲劳循环次数，使用氩气对试验腔体和管路内的氢气进行至少一次置换后，分离上部腔体和下部腔体，取出圆盘试样。
[0033]提供基于所述试验装置的恒定氢压疲劳试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0034]步骤1:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，在圆盘试样上部灌深度为5?1mm的离子液体，而后用端盖螺栓密闭接合端盖与上部腔体；
[0035]步骤J:用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0036]步骤K:再次使用真空泵对上部腔体、下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至压力达到设定值后，停止充氢，关闭下部腔体流量控制阀门，使下部腔体内氢气压力在整个试验过程中保持恒定；
[0037]步骤L:通过上部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入上部腔体内，直至压力达到设定压力上限后，停止充氢，而后将上部腔体内的氢气排放至低压储罐，当上部腔体内压力达到设定压力下限后，停止放氢，随后连续重复上述充氢、放氢过程，直到圆盘试样破坏；
[0038]步骤M:记录圆盘试样破坏前经历的疲劳循环次数，使用氩气对试验腔体和管路内的氢气进行至少一次置换后，分离上部腔体和下部腔体，取出圆盘试样。
[0039]在本发明中，所述圆盘试样的厚度为0.5?2_，圆盘试样采用平面状圆盘试样或者草帽状圆盘试样，草帽状圆盘试样是指中间凸起、边缘平面的圆盘试样，并保证中间凸起结构的直径不大于压环的内直径。
[0040]在本发明中，所述位移测试装置采用线性可变差动变压器型(LVDT)位移传感器。[0041 ] 在本发明中，所述应变测试装置采用电阻式应变片。
[0042]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0043]1、本发明利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备体积极大地缩小，设备投入降低，操作简便，试验效率提高。
[0044]2、本发明装置中避免使用了高压动密封元件，可降低氢气发生泄漏的概率，提高了装置的可靠性和安全性。
[0045]3、在发明的试验过程中，圆盘试样的应变和位移等参数可方便地进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。
[0046]4、圆盘试样的受力状态为两向应力，比传统的单向受力试样更贴合构件的实际服役状态，并且可通过调整圆盘试样的形状，比如平面状或中间凸起、边缘平面的草帽状，来研宄材料在不同应力状态下的性能。
【附图说明】
[0047]图1为本发明的总体装置示意图。
[0048]图2为本发明中的试验腔体剖视图。
[0049]图3为位移及应变测试装置结构示意图。
[0050]图4为离子液体布局示意图。
[0051]图5为平面状圆盘试样示意图。
[0052]图6为草帽状圆盘试样示意图。
[0053]图中的附图标记为:1氢气瓶组；2低压储罐；3放氢回路阀门；4气动增压泵；5高压储罐；6放氢回路；7放空阀门；8真空泵阀门；9真空泵；10上部腔体流量控制阀门；11端盖；12上部腔体；13下部腔体；14下部腔体流量控制阀门；15支路阀门；16高压储罐出口阀；17控制系统模块；18置换管路；19氩气瓶组；20端盖螺栓；21上部腔体螺栓；220型圈；23圆盘试样；24压环；25上部腔体通气口 ；26下部腔体通气口 ；27位移测试装置；28应变测试装置；29离子液体；30平面状圆盘试样；31草帽状圆盘试样。
【具体实施方式】
[0054]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0055]如图1所示的多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，包括试验腔体、气动增压泵4、低压储罐2、高压储罐5、真空泵9、氢气瓶组1、氩气瓶组19和控制系统模块17。该试验装置采用圆盘状薄片作为试样，能在高压氢环境下(高达10MPa)利用圆盘试样23上下表面的压差，来对圆盘试样23施加载荷进行力学性能测试。
[0056]如图2所示，所述试验腔体包括端盖11、上部腔体12、下部腔体13、压环24，试验腔体的设计压力为35?10MPa ;上部腔体12和下部腔体13由抗氢脆性能良好的奥氏体不锈钢制造，以保证试验腔体的寿命和可靠性；压环24由高强钢制造，以保证其对圆盘试样23可施加足够的压应力。上部腔体12、下部腔体13的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖11与上部腔体12之间、上部腔体12与下部腔体13之间分别通过端盖螺栓20、上部腔体螺栓21连接，且连接处都采用O型圈22作为密封元件进行密封，加盖端盖11后能实现空腔通道的密封。在爆破试验和变氢压疲劳试验中，端盖11可以移除，而后可通过上部腔体12中心处的空腔通道布置位移测试装置27、应变测试装置28，进而测量圆盘试样23在试验过程中的相应参数变化。
[0057]下部腔体13在与上部腔体12的接触面上，即下部腔体13的上表面上，设有用于放置圆盘试样23的凹槽，且圆盘试样23与下部腔体13的凹槽间设置有O型圈22用于密封。所述压环24内嵌在上部腔体12内，且与上部腔体12过盈配合，压环24用于向放置在下部腔体13凹槽内的圆盘试样23施加压应力，压环24与上部腔体12之间、压环24与圆盘试样23之间都分别设置有O型圈22用于密封。压环24采用环形压环，压环24的外直径与圆盘试样23的直径相同，压环24的内直径与上部腔体12的内直径、下部腔体13的内直径相同；上部腔体12与下部腔体13上分别设置有上部腔体通气口 25和下部腔体通气口26。所述圆盘试样23的厚度为0.5?2mm，圆盘试样23采用平面状圆盘试样30或者草帽状圆盘试样31，草帽状圆盘试样31是指中间凸起、边缘平面的圆盘试样，并保证中间凸起结构的直径不大于压环24的内直径。[0058]所述氢气瓶组I用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组19用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组I的排气口、氩气瓶组19的排气口分别连接至低压储罐2的进气口，低压储罐2的排出口连接至气动增压泵4，气动增压泵4连接至高压储罐5，高压储罐5的排气口分别与上部腔体通气口 25和下部腔体通气口 26连通。上部腔体通气口 25和下部腔体通气口 26设有直接连至低压储罐2的放氢回路6，从而使得在变氢压疲劳试验和恒定氢压疲劳试验中由上部腔体12或下部腔体13中排放出的氢气回收至低压储罐2，避免了氢气的浪费。上部腔体通气口 25和下部腔体通气口 26设有直接连至氩气瓶组19的置换管路18，用于对上部腔体12或下部腔体13进行气体置换。上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26还与真空泵9的进气口连接。
[0059]所述上部腔体通气口 25处设有上部腔体流量控制阀门10，下部腔体通气口 26处设有下部腔体流量控制阀门14，两个阀门用来控制充氢、放氢的速率。放氢回路6上设有放氢回路阀门3，真空泵9的进气口处设有真空泵阀门8，高压储罐5的排气口处设有高压储罐出口阀16。所述氢气瓶组I的排气口处、氩气瓶组19的排气口处、低压储罐2的进气口处、置换管路18上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D。
[0060]所述上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26还设有放空管路，并设有放空阀门7用于控制。所述上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门15 ;即上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26之间设有经过上部腔体流量控制阀门10、支路阀门15、下部腔体流量控制阀门14的连通管路。所述氢气瓶组I的排气口、氩气瓶组19的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组I的排气口、氩气瓶组19的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组I的排气口、低压储罐2的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组19的排气口、低压储罐2的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。
[0061]所述控制系统模块17用于试验腔体、高压储罐5、低压储罐2内压力信号的采集，气动增压泵4、真空泵9的运行控制，以及所有阀门的开度控制。
[0062]利用上述的试验装置，能完成的主要试验种类包括爆破试验、变氢压疲劳试验及恒定氢压疲劳试验。下述试验中涉及到位移测试装置27和应变测试装置28的使用。位移测试装置27采用线性可变差动变压器型(LVDT)位移传感器。应变测试装置28采用电阻式应变片。
[0063]爆破试验是持续以一定的速率增大圆盘试样23上下表面的压差，直到圆盘爆破，获得相应的爆破压力。如图1、图2和图3所示，基于所述试验装置的爆破试验测试方法具体包括下述步骤:
[0064]步骤A:分离上部腔体12和下部腔体13，装设好圆盘试样23后，用上部腔体螺栓21密闭接合上部腔体12和下部腔体13，移除端盖11，利用上部腔体12的中心空腔对圆盘试样23布置位移测试装置27和应变测试装置28 ;
[0065]步骤B:用真空泵9抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵4对高压储罐5进行高压氢气充装，直到高压储罐5内氢气压力达到设定值；
[0066]步骤C:再次使用真空泵9对下部腔体13及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵9，保持支路阀门15关闭，打开高压储罐出口阀16和下部腔体流量控制阀门14，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入下部腔体13内，直至圆盘试样23爆破，而后立即切断氢气源，记录爆破压力，并在试验过程中记录圆盘试样23的应变和位移；
[0067]步骤D:通过置换管路18使用氩气对相应管路内的氢气进行若干次置换后，分离上部腔体12和下部腔体13，取出圆盘试样23。
[0068]变氢压疲劳试验是通过仅在圆盘试样23 —侧循环充氢和放氢来对圆盘施加循环载荷，在反复一定次数后，圆盘发生破裂，在此过程中，圆盘试样23所受到的氢气压力和其所承受的载荷是正相关的。如图1、图2和图3所示，基于所述试验装置的变氢压疲劳试验测试方法具体包括下述步骤:
[0069]步骤E:分离上部腔体12和下部腔体13，装设好圆盘试样23后，用上部腔体螺栓21密闭接合上部腔体12和下部腔体13，移除端盖11，利用上部腔体12的中心空腔对圆盘试样23布置位移测试装置27和应变测试装置28 ;
[0070]步骤F:用真空泵9抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵4对高压储罐5进行高压氢气充装，直到高压储罐5内氢气压力达到设定值；
[0071]步骤G:再次使用真空泵9对下部腔体13及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵9，保持支路阀门15、上部腔体流量控制阀门10、放氢回路阀门3和放空阀门7关闭，打开高压储罐出口阀16和下部腔体流量控制阀门14，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入下部腔体13内，直至下部腔体13内压力达到试验压力上限后(试验压力上限小于圆盘试样23的爆破压力)，关闭高压储罐出口阀16，打开支路阀门15和放氢回路阀门3，使下部腔体13内的氢气排放至低压储罐2中，当下部腔体13内的压力达到试验压力下限后，关闭支路阀门15和放氢回路阀门3，而后再次打开高压储罐出口阀16对下部腔体13进行充氢，反复重复上述充氢、放氢过程，直至圆盘试样23破坏；
[0072]步骤H:记录圆盘试样23破坏前经历的疲劳循环次数，通过置换管路18使用氩气对相应管路内的氢气进行若干次置换后，分离上部腔体12和下部腔体13，取出圆盘试样23ο
[0073]恒定氢压疲劳试验过程中圆盘试样23所承受的氢气压力不变，但其所承受的载荷发生循环变化。在此过程中，由于离子液体29隔绝了圆盘试样23上表面与氢气的接触，仅圆盘试样23的下表面与恒定压力的氢气接触；圆盘试样23所承受的载荷随着上部腔体12中氢气压力的循环变化而发生变化。如图1、图2和图4所示，基于所述试验装置的恒定氢压疲劳试验测试方法具体包括下述步骤:
[0074]步骤1:分离上部腔体12和下部腔体13，装设好圆盘试样23后，用上部腔体螺栓21密闭接合上部腔体12和下部腔体13，在圆盘试样23上部灌入深度为5?1mm的离子液体29，而后用端盖螺栓20密闭接合端盖11与上部腔体12 ；
[0075]步骤J:用真空泵9抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵4对高压储罐5进行高压氢气充装，直到高压储罐5内氢气压力达到设定值；
[0076]步骤K:再次使用真空泵9对上部腔体12、下部腔体13及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵9，保持支路阀门15、上部腔体流量控制阀门10、放氢回路阀门3和放空阀门7关闭，打开高压储罐出口阀16和下部腔体流量控制阀门14，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入下部腔体13内，直至下部腔体13内压力达到设定值后，关闭下部腔体流量控制阀门14，使下部腔体13内氢气压力在整个试验过程中保持恒定；
[0077]步骤L:打开支路阀门15和上部腔体流量控制阀门10，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入上部腔体12内，直至压力达 到设定压力上限后，关闭支路阀门15，打开放氢回路阀门3，使上部腔体12内的氢气排放至低压储罐2中，当上部腔体12内的压力达到试验压力下限后，关闭放氢回路阀门3，而后再次打开支路阀门15对上部腔体12进行充氢，反复重复上述对上部腔体12的充氢、放氢过程，直至圆盘试样23破坏；
[0078]步骤M:记录圆盘试样23破坏前经历的疲劳循环次数，通过置换管路18使用氩气对相应管路内的氢气进行若干次置换后，分离上部腔体12和下部腔体13，取出圆盘试样23ο
[0079]在上述测试方法中，变氢压疲劳试验和恒定氢压疲劳试验的结果有较大差异，两种试验有各自对应的应用工况。与高压氢气接触时圆盘试样23的爆破压力和疲劳寿命相比其他情况下会有所降低，这是由于氢气对材料的损伤引起的。基于上述试验装置和测试方法，可以获得高压氢气环境下圆盘试样23的爆破压力和疲劳寿命，上述数据可用来评价材料与高压氢环境的相容性。
[0080]在本发明中，利用圆盘试样23上下表面的压差来对其施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备重量、体积极大地缩小，成本降低，操作简便，试验效率提高，试验中氢气消耗少；装置中避免了使用高压动密封元件，可降低氢气发生泄漏的概率，提高了装置的可靠性和安全性；试验过程中，圆盘试样23的应变和位移等参数可方便的进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。如专利[201110259252.2]中提出的传统材料与氢相容性试验装置，仅伺服机构加上配套的油源系统就重达数吨，设备总高通常超过4米，高压氢气环境箱通常也达数吨重，设备投资达数百万元，且每次操作需2人以上，每次试验前准备工作超过5小时，其高压氢气环境箱内容积通常超过10L，试验耗氢量大，设备动密封处易发生氢气泄漏，且应变等测试元件信号容易受高压氢气影响。对比而言，多功能压差式高压氢与材料相容性试验装置无需复杂的配套设施，主要构件试验腔体的直径为150?200mm，高度为200?250mm，试验腔体重约50公斤，成本可大幅降低，且装置操作简便；试验腔体的内容积约为50mL，试验耗费氢气量小，相应的供气系统的参数需求也可降低；装置中的所有密封元件都为静密封O型圈22，不易发生氢气泄漏，装置中的位移测试装置27和应变测试装置28与高压氢气隔离，信号稳定。
[0081]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。例如本发明并不限定试验腔体内的气体为高压氢气，同样适用于高压硫化氢气体、高压氢气与天然气混合气等气体环境下的材料相容性试验。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。
【主权项】
1.多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，能在高压氢环境下对圆盘试样进行力学性能测试，其特征在于，所述试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块； 所述试验腔体包括端盖、上部腔体、下部腔体、压环，上部腔体、下部腔体的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖与上部腔体之间、上部腔体与下部腔体之间分别通过端盖螺栓、上部腔体螺栓连接，且连接处都采用O型圈作为密封元件进行密封，加盖端盖后能实现空腔通道的密封；下部腔体在与上部腔体的接触面上，即下部腔体的上表面上，设有用于放置圆盘试样的凹槽，且圆盘试样与下部腔体的凹槽间设置有O型圈用于密封；所述压环内嵌在上部腔体内，且与上部腔体过盈配合，压环用于向放置在下部腔体凹槽内的圆盘试样施加压应力，压环与上部腔体之间、压环与圆盘试样之间都分别设置有O型圈用于密封；压环采用环形压环，压环的外直径与圆盘试样的直径相同，压环的内直径与上部腔体的内直径、下部腔体的内直径相同；上部腔体与下部腔体上分别设置有上部腔体通气口和下部腔体通气口 ； 所述氢气瓶组用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口分别连接至低压储罐的进气口，低压储罐的排出口连接至气动增压泵，气动增压泵连接至高压储罐，高压储罐的排气口分别与上部腔体通气口和下部腔体通气口连通；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至低压储罐的放氢回路，用于将上部腔体或下部腔体中排放出的氢气回收至低压储罐；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至氩气瓶组的置换管路，用于对上部腔体或下部腔体进行气体置换；上部腔体通气口、下部腔体通气口还与真空泵的进气口连接； 所述放氢回路上设有放氢回路阀门，上部腔体通气口处设有上部腔体流量控制阀门，下部腔体通气口处设有下部腔体流量控制阀门，真空泵的进气口处设有真空泵阀门，高压储罐的排气口处设有高压储罐出口阀；所述氢气瓶组的排气口处、氩气瓶组的排气口处、低压储罐的进气口处、置换管路上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D ; 所述控制系统模块用于控制气动增压泵和真空泵的运行、所有阀门的开度。2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述上部腔体通气口、下部腔体通气口还设有放空管路，并设有放空阀门用于控制； 所述上部腔体通气口、下部腔体通气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门；即上部腔体通气口、下部腔体通气口之间设有经过上部腔体流量控制阀门、支路阀门、下部腔体流量控制阀门的连通管路； 所述氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验腔体、低压储罐、高压储罐内都设置有压力传感器，并能通过控制系统模块控制试验腔体、低压储罐、高压储罐内的压力信号采集。4.根据权利要求1至3任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验腔体的设计压力为35?lOOMPa，且上部腔体和下部腔体都采用由奥氏体不锈钢制造的腔体，压环采用由抗拉强度大于SOOMPa的高强钢制造的压环。
【专利摘要】本发明涉及材料力学性能测试设备开发领域，旨在提供多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置。该多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块，能在高压氢环境下对圆盘试样进行力学性能测试。本发明利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备体积极大地缩小，设备投入降低，操作简便，试验效率提高；且在试验过程中，圆盘试样的应变和位移等参数可方便地进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。
【IPC分类】G01N3/12, G01N3/02
【公开号】CN104897472
【申请号】CN201510349246
【发明人】郑津洋, 花争立, 顾超华, 赵永志, 刘鹏飞, 崔天成, 黄改
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日
【技术领域】
[0001]本发明是关于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置。
【背景技术】
[0002]氢气是化石能源的清洁利用以及新能源发展过程中重要的组成部分。氢气通常以高压气态的形式进行储存和运输。近些年，由于高压氢系统压力走高、服役环境复杂化的发展趋势，使得高压氢系统用材料与氢相容性问题(即氢脆问题)变得逐渐突出。氢脆会使得材料的韧性下降，裂纹扩展速度变大，进而造成高压氢系统在服役过程中突然发生严重失效，给人民群众的安全造成极大隐患。为了保障高压氢系统的安全，高压氢系统用材料必须开展与氢相容性的试验研宄。
[0003]要进行金属材料与高压氢的相容性研宄，应当在高压氢环境下(高达10MPa)开展材料的力学性能测试。这就对相应的试验装置提出了较高的要求。世界上许多研宄机构都开展了材料在高压氢环境中相容性研宄设备的研发，但是上述设备都面临如下的关键问题:
[0004](I)设备结构复杂，成本高，操作复杂
[0005]目前开发的氢相容性试验装置多是在传统材料试验机的基础上，加上能够提供高压氢气环境的环境箱，试样及其夹具被盛装在环境箱内部，因此，环境箱内部容积较大，加之其压力通常较高(高达10MPa)，造成设备造价昂贵。除此之外，较大容积的环境箱还需要配备相应的氢气供气系统，整个设备操作复杂，氢气和人工成本较高。如专利[201110259252.2]中提出的试验装置，不仅设备本身的成本较高，且每次试验需多人操作设备，氢气消耗量也大。
[0006](2)存在高压氢气动密封结构，容易发生泄漏
[0007]现有的材料与氢相容性试验装置中都有贯穿氢环境箱的加载杆，从而为环境箱内部的试样提供加载力。为了维持环境箱内部的压力，加载杆与环境箱接触处需设置动密封元件。而实践表明，现有的动密封结构寿命非常短，经常在使用较短时间后，因为磨损及溶氢膨胀等原因而突然发生失效，造成氢气的泄漏，存在较大安全隐患。
[0008](3)高压氢气环境中试样的各项参数测量难度大
[0009]在高压氢气环境中，试样应变、力等测量元件由于受氢气的影响，信号会发生严重漂移，造成测量的不准确。
[0010](4)试样的受力状态与实际构件的受力状态间存在较大差异
[0011]通常，高压储氢容器的筒壁在服役过程中受两向应力或三向应力的作用。而现有的试验机通常是测试试样在单向应力作用下的失效行为，与构件的实际服役状况还存在一定差距。
【发明内容】
[0012]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用圆盘状薄片作为试样，利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的实验装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0013]提供多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，能在高压氢环境下(高达10MPa)对圆盘试样进行力学性能测试，所述试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块；
[0014]所述试验腔体包括端盖、上部腔体、下部腔体、压环，上部腔体、下部腔体的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖与上部腔体之间、上部腔体与下部腔体之间分别通过端盖螺栓、上部腔体螺栓连接，且连接处都采用O型圈作为密封元件进行密封，加盖端盖后能实现空腔通道的密封；下部腔体在与上部腔体的接触面上，即下部腔体的上表面上，设有用于放置圆盘试样的凹槽，且圆盘试样与下部腔体的凹槽间设置有O型圈用于密封；所述压环内嵌在上部腔体内，且与上部腔体过盈配合，压环用于向放置在下部腔体凹槽内的圆盘试样施加压应力，压环与上部腔体之间、压环与圆盘试样之间都分别设置有O型圈用于密封；压环采用环形压环，压环的外直径与圆盘试样的直径相同，压环的内直径与上部腔体的内直径、下部腔体的内直径相同；上部腔体与下部腔体上分别设置有上部腔体通气口和下部腔体通气口；
[0015]所述氢气瓶组用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口分别连接至低压储罐的进气口，低压储罐的排出口连接至气动增压泵，气动增压泵连接至高压储罐，高压储罐的排气口分别与上部腔体通气口和下部腔体通气口连通；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至低压储罐的放氢回路，用于将上部腔体或下部腔体中排放出的氢气回收至低压储罐；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至氩气瓶组的置换管路，用于对上部腔体或下部腔体进行气体置换；上部腔体通气口、下部腔体通气口还与真空泵的进气口连接；
[0016]所述放氢回路上设有放氢回路阀门，上部腔体通气口处设有上部腔体流量控制阀门，下部腔体通气口处设有下部腔体流量控制阀门，真空泵的进气口处设有真空泵阀门，高压储罐的排气口处设有高压储罐出口阀；所述氢气瓶组的排气口处、氩气瓶组的排气口处、低压储罐的进气口处、置换管路上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D ;
[0017]所述控制系统模块用于控制气动增压泵和真空泵的运行、所有阀门的开度。其实现方式可采用硬件、软件或硬件与软件的结合。本领域技术人员可根据本发明所述功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能。由于这些内容并非本发明重点，故不再赘述。
[0018]在本发明中，所述上部腔体通气口、下部腔体通气口还设有放空管路，并设有放空阀门用于控制；
[0019]所述上部腔体通气口、下部腔体通气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门；即上部腔体通气口、下部腔体通气口之间设有经过上部腔体流量控制阀门、支路阀门、下部腔体流量控制阀门的连通管路；
[0020]所述氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。
[0021]在本发明中，所述试验腔体、低压储罐、高压储罐内都设置有压力传感器，并能通过控制系统模块控制试验腔体、低压储罐、高压储罐内的压力信号采集。
[0022]在本发明中，所述试验腔体的设计压力为35?lOOMPa，且上部腔体和下部腔体都采用由奥氏体不锈钢制造的腔体，压环采用由抗拉强度大于SOOMPa的高强钢制造的压环。
[0023]提供基于所述试验装置的爆破试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0024]步骤A:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，移除端盖，利用上部腔体的中心空腔对圆盘试样布置位移测试装置和应变测试装置；
[0025]步骤B:用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0026]步骤C:再次使用真空泵对下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度后，关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至圆盘试样爆破，切断氢气源，记录爆破压力，并在 试验过程中记录圆盘试样的应变和位移；
[0027]步骤D:使用氩气对试验腔体和管路内的氢气进行至少一次置换后，分离上部腔体和下部腔体，取出圆盘试样。
[0028]提供基于所述试验装置的变氢压疲劳试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0029]步骤E:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，移除端盖，利用上部腔体的中心空腔对圆盘试样布置位移测试装置和应变测试装置；
[0030]步骤F:用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0031]步骤G:再次使用真空泵对下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度后，关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至压力达到试验压力上限后(试验压力上限小于圆盘试样的爆破压力)，停止充氢，而后将下部腔体内的氢气排放至低压储罐，当下部腔体内压力达到试验压力下限后，停止放氢，随后连续重复上述充氢、放氢过程，直到圆盘试样破坏；
[0032]步骤H:记录圆盘试样破坏前经历的疲劳循环次数，使用氩气对试验腔体和管路内的氢气进行至少一次置换后，分离上部腔体和下部腔体，取出圆盘试样。
[0033]提供基于所述试验装置的恒定氢压疲劳试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0034]步骤1:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，在圆盘试样上部灌深度为5?1mm的离子液体，而后用端盖螺栓密闭接合端盖与上部腔体；
[0035]步骤J:用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0036]步骤K:再次使用真空泵对上部腔体、下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至压力达到设定值后，停止充氢，关闭下部腔体流量控制阀门，使下部腔体内氢气压力在整个试验过程中保持恒定；
[0037]步骤L:通过上部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入上部腔体内，直至压力达到设定压力上限后，停止充氢，而后将上部腔体内的氢气排放至低压储罐，当上部腔体内压力达到设定压力下限后，停止放氢，随后连续重复上述充氢、放氢过程，直到圆盘试样破坏；
[0038]步骤M:记录圆盘试样破坏前经历的疲劳循环次数，使用氩气对试验腔体和管路内的氢气进行至少一次置换后，分离上部腔体和下部腔体，取出圆盘试样。
[0039]在本发明中，所述圆盘试样的厚度为0.5?2_，圆盘试样采用平面状圆盘试样或者草帽状圆盘试样，草帽状圆盘试样是指中间凸起、边缘平面的圆盘试样，并保证中间凸起结构的直径不大于压环的内直径。
[0040]在本发明中，所述位移测试装置采用线性可变差动变压器型(LVDT)位移传感器。[0041 ] 在本发明中，所述应变测试装置采用电阻式应变片。
[0042]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0043]1、本发明利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备体积极大地缩小，设备投入降低，操作简便，试验效率提高。
[0044]2、本发明装置中避免使用了高压动密封元件，可降低氢气发生泄漏的概率，提高了装置的可靠性和安全性。
[0045]3、在发明的试验过程中，圆盘试样的应变和位移等参数可方便地进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。
[0046]4、圆盘试样的受力状态为两向应力，比传统的单向受力试样更贴合构件的实际服役状态，并且可通过调整圆盘试样的形状，比如平面状或中间凸起、边缘平面的草帽状，来研宄材料在不同应力状态下的性能。
【附图说明】
[0047]图1为本发明的总体装置示意图。
[0048]图2为本发明中的试验腔体剖视图。
[0049]图3为位移及应变测试装置结构示意图。
[0050]图4为离子液体布局示意图。
[0051]图5为平面状圆盘试样示意图。
[0052]图6为草帽状圆盘试样示意图。
[0053]图中的附图标记为:1氢气瓶组；2低压储罐；3放氢回路阀门；4气动增压泵；5高压储罐；6放氢回路；7放空阀门；8真空泵阀门；9真空泵；10上部腔体流量控制阀门；11端盖；12上部腔体；13下部腔体；14下部腔体流量控制阀门；15支路阀门；16高压储罐出口阀；17控制系统模块；18置换管路；19氩气瓶组；20端盖螺栓；21上部腔体螺栓；220型圈；23圆盘试样；24压环；25上部腔体通气口 ；26下部腔体通气口 ；27位移测试装置；28应变测试装置；29离子液体；30平面状圆盘试样；31草帽状圆盘试样。
【具体实施方式】
[0054]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0055]如图1所示的多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，包括试验腔体、气动增压泵4、低压储罐2、高压储罐5、真空泵9、氢气瓶组1、氩气瓶组19和控制系统模块17。该试验装置采用圆盘状薄片作为试样，能在高压氢环境下(高达10MPa)利用圆盘试样23上下表面的压差，来对圆盘试样23施加载荷进行力学性能测试。
[0056]如图2所示，所述试验腔体包括端盖11、上部腔体12、下部腔体13、压环24，试验腔体的设计压力为35?10MPa ;上部腔体12和下部腔体13由抗氢脆性能良好的奥氏体不锈钢制造，以保证试验腔体的寿命和可靠性；压环24由高强钢制造，以保证其对圆盘试样23可施加足够的压应力。上部腔体12、下部腔体13的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖11与上部腔体12之间、上部腔体12与下部腔体13之间分别通过端盖螺栓20、上部腔体螺栓21连接，且连接处都采用O型圈22作为密封元件进行密封，加盖端盖11后能实现空腔通道的密封。在爆破试验和变氢压疲劳试验中，端盖11可以移除，而后可通过上部腔体12中心处的空腔通道布置位移测试装置27、应变测试装置28，进而测量圆盘试样23在试验过程中的相应参数变化。
[0057]下部腔体13在与上部腔体12的接触面上，即下部腔体13的上表面上，设有用于放置圆盘试样23的凹槽，且圆盘试样23与下部腔体13的凹槽间设置有O型圈22用于密封。所述压环24内嵌在上部腔体12内，且与上部腔体12过盈配合，压环24用于向放置在下部腔体13凹槽内的圆盘试样23施加压应力，压环24与上部腔体12之间、压环24与圆盘试样23之间都分别设置有O型圈22用于密封。压环24采用环形压环，压环24的外直径与圆盘试样23的直径相同，压环24的内直径与上部腔体12的内直径、下部腔体13的内直径相同；上部腔体12与下部腔体13上分别设置有上部腔体通气口 25和下部腔体通气口26。所述圆盘试样23的厚度为0.5?2mm，圆盘试样23采用平面状圆盘试样30或者草帽状圆盘试样31，草帽状圆盘试样31是指中间凸起、边缘平面的圆盘试样，并保证中间凸起结构的直径不大于压环24的内直径。[0058]所述氢气瓶组I用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组19用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组I的排气口、氩气瓶组19的排气口分别连接至低压储罐2的进气口，低压储罐2的排出口连接至气动增压泵4，气动增压泵4连接至高压储罐5，高压储罐5的排气口分别与上部腔体通气口 25和下部腔体通气口 26连通。上部腔体通气口 25和下部腔体通气口 26设有直接连至低压储罐2的放氢回路6，从而使得在变氢压疲劳试验和恒定氢压疲劳试验中由上部腔体12或下部腔体13中排放出的氢气回收至低压储罐2，避免了氢气的浪费。上部腔体通气口 25和下部腔体通气口 26设有直接连至氩气瓶组19的置换管路18，用于对上部腔体12或下部腔体13进行气体置换。上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26还与真空泵9的进气口连接。
[0059]所述上部腔体通气口 25处设有上部腔体流量控制阀门10，下部腔体通气口 26处设有下部腔体流量控制阀门14，两个阀门用来控制充氢、放氢的速率。放氢回路6上设有放氢回路阀门3，真空泵9的进气口处设有真空泵阀门8，高压储罐5的排气口处设有高压储罐出口阀16。所述氢气瓶组I的排气口处、氩气瓶组19的排气口处、低压储罐2的进气口处、置换管路18上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D。
[0060]所述上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26还设有放空管路，并设有放空阀门7用于控制。所述上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门15 ;即上部腔体通气口 25、下部腔体通气口 26之间设有经过上部腔体流量控制阀门10、支路阀门15、下部腔体流量控制阀门14的连通管路。所述氢气瓶组I的排气口、氩气瓶组19的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组I的排气口、氩气瓶组19的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组I的排气口、低压储罐2的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组19的排气口、低压储罐2的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。
[0061]所述控制系统模块17用于试验腔体、高压储罐5、低压储罐2内压力信号的采集，气动增压泵4、真空泵9的运行控制，以及所有阀门的开度控制。
[0062]利用上述的试验装置，能完成的主要试验种类包括爆破试验、变氢压疲劳试验及恒定氢压疲劳试验。下述试验中涉及到位移测试装置27和应变测试装置28的使用。位移测试装置27采用线性可变差动变压器型(LVDT)位移传感器。应变测试装置28采用电阻式应变片。
[0063]爆破试验是持续以一定的速率增大圆盘试样23上下表面的压差，直到圆盘爆破，获得相应的爆破压力。如图1、图2和图3所示，基于所述试验装置的爆破试验测试方法具体包括下述步骤:
[0064]步骤A:分离上部腔体12和下部腔体13，装设好圆盘试样23后，用上部腔体螺栓21密闭接合上部腔体12和下部腔体13，移除端盖11，利用上部腔体12的中心空腔对圆盘试样23布置位移测试装置27和应变测试装置28 ;
[0065]步骤B:用真空泵9抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵4对高压储罐5进行高压氢气充装，直到高压储罐5内氢气压力达到设定值；
[0066]步骤C:再次使用真空泵9对下部腔体13及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵9，保持支路阀门15关闭，打开高压储罐出口阀16和下部腔体流量控制阀门14，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入下部腔体13内，直至圆盘试样23爆破，而后立即切断氢气源，记录爆破压力，并在试验过程中记录圆盘试样23的应变和位移；
[0067]步骤D:通过置换管路18使用氩气对相应管路内的氢气进行若干次置换后，分离上部腔体12和下部腔体13，取出圆盘试样23。
[0068]变氢压疲劳试验是通过仅在圆盘试样23 —侧循环充氢和放氢来对圆盘施加循环载荷，在反复一定次数后，圆盘发生破裂，在此过程中，圆盘试样23所受到的氢气压力和其所承受的载荷是正相关的。如图1、图2和图3所示，基于所述试验装置的变氢压疲劳试验测试方法具体包括下述步骤:
[0069]步骤E:分离上部腔体12和下部腔体13，装设好圆盘试样23后，用上部腔体螺栓21密闭接合上部腔体12和下部腔体13，移除端盖11，利用上部腔体12的中心空腔对圆盘试样23布置位移测试装置27和应变测试装置28 ;
[0070]步骤F:用真空泵9抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵4对高压储罐5进行高压氢气充装，直到高压储罐5内氢气压力达到设定值；
[0071]步骤G:再次使用真空泵9对下部腔体13及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵9，保持支路阀门15、上部腔体流量控制阀门10、放氢回路阀门3和放空阀门7关闭，打开高压储罐出口阀16和下部腔体流量控制阀门14，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入下部腔体13内，直至下部腔体13内压力达到试验压力上限后(试验压力上限小于圆盘试样23的爆破压力)，关闭高压储罐出口阀16，打开支路阀门15和放氢回路阀门3，使下部腔体13内的氢气排放至低压储罐2中，当下部腔体13内的压力达到试验压力下限后，关闭支路阀门15和放氢回路阀门3，而后再次打开高压储罐出口阀16对下部腔体13进行充氢，反复重复上述充氢、放氢过程，直至圆盘试样23破坏；
[0072]步骤H:记录圆盘试样23破坏前经历的疲劳循环次数，通过置换管路18使用氩气对相应管路内的氢气进行若干次置换后，分离上部腔体12和下部腔体13，取出圆盘试样23ο
[0073]恒定氢压疲劳试验过程中圆盘试样23所承受的氢气压力不变，但其所承受的载荷发生循环变化。在此过程中，由于离子液体29隔绝了圆盘试样23上表面与氢气的接触，仅圆盘试样23的下表面与恒定压力的氢气接触；圆盘试样23所承受的载荷随着上部腔体12中氢气压力的循环变化而发生变化。如图1、图2和图4所示，基于所述试验装置的恒定氢压疲劳试验测试方法具体包括下述步骤:
[0074]步骤1:分离上部腔体12和下部腔体13，装设好圆盘试样23后，用上部腔体螺栓21密闭接合上部腔体12和下部腔体13，在圆盘试样23上部灌入深度为5?1mm的离子液体29，而后用端盖螺栓20密闭接合端盖11与上部腔体12 ；
[0075]步骤J:用真空泵9抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，使用气动增压泵4对高压储罐5进行高压氢气充装，直到高压储罐5内氢气压力达到设定值；
[0076]步骤K:再次使用真空泵9对上部腔体12、下部腔体13及其附属的管路进行抽真空至设定真空度，而后关闭真空泵9，保持支路阀门15、上部腔体流量控制阀门10、放氢回路阀门3和放空阀门7关闭，打开高压储罐出口阀16和下部腔体流量控制阀门14，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入下部腔体13内，直至下部腔体13内压力达到设定值后，关闭下部腔体流量控制阀门14，使下部腔体13内氢气压力在整个试验过程中保持恒定；
[0077]步骤L:打开支路阀门15和上部腔体流量控制阀门10，使高压储罐5内的氢气以特定的速率进入上部腔体12内，直至压力达 到设定压力上限后，关闭支路阀门15，打开放氢回路阀门3，使上部腔体12内的氢气排放至低压储罐2中，当上部腔体12内的压力达到试验压力下限后，关闭放氢回路阀门3，而后再次打开支路阀门15对上部腔体12进行充氢，反复重复上述对上部腔体12的充氢、放氢过程，直至圆盘试样23破坏；
[0078]步骤M:记录圆盘试样23破坏前经历的疲劳循环次数，通过置换管路18使用氩气对相应管路内的氢气进行若干次置换后，分离上部腔体12和下部腔体13，取出圆盘试样23ο
[0079]在上述测试方法中，变氢压疲劳试验和恒定氢压疲劳试验的结果有较大差异，两种试验有各自对应的应用工况。与高压氢气接触时圆盘试样23的爆破压力和疲劳寿命相比其他情况下会有所降低，这是由于氢气对材料的损伤引起的。基于上述试验装置和测试方法，可以获得高压氢气环境下圆盘试样23的爆破压力和疲劳寿命，上述数据可用来评价材料与高压氢环境的相容性。
[0080]在本发明中，利用圆盘试样23上下表面的压差来对其施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备重量、体积极大地缩小，成本降低，操作简便，试验效率提高，试验中氢气消耗少；装置中避免了使用高压动密封元件，可降低氢气发生泄漏的概率，提高了装置的可靠性和安全性；试验过程中，圆盘试样23的应变和位移等参数可方便的进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。如专利[201110259252.2]中提出的传统材料与氢相容性试验装置，仅伺服机构加上配套的油源系统就重达数吨，设备总高通常超过4米，高压氢气环境箱通常也达数吨重，设备投资达数百万元，且每次操作需2人以上，每次试验前准备工作超过5小时，其高压氢气环境箱内容积通常超过10L，试验耗氢量大，设备动密封处易发生氢气泄漏，且应变等测试元件信号容易受高压氢气影响。对比而言，多功能压差式高压氢与材料相容性试验装置无需复杂的配套设施，主要构件试验腔体的直径为150?200mm，高度为200?250mm，试验腔体重约50公斤，成本可大幅降低，且装置操作简便；试验腔体的内容积约为50mL，试验耗费氢气量小，相应的供气系统的参数需求也可降低；装置中的所有密封元件都为静密封O型圈22，不易发生氢气泄漏，装置中的位移测试装置27和应变测试装置28与高压氢气隔离，信号稳定。
[0081]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。例如本发明并不限定试验腔体内的气体为高压氢气，同样适用于高压硫化氢气体、高压氢气与天然气混合气等气体环境下的材料相容性试验。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。
【主权项】
1.多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，能在高压氢环境下对圆盘试样进行力学性能测试，其特征在于，所述试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块； 所述试验腔体包括端盖、上部腔体、下部腔体、压环，上部腔体、下部腔体的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖与上部腔体之间、上部腔体与下部腔体之间分别通过端盖螺栓、上部腔体螺栓连接，且连接处都采用O型圈作为密封元件进行密封，加盖端盖后能实现空腔通道的密封；下部腔体在与上部腔体的接触面上，即下部腔体的上表面上，设有用于放置圆盘试样的凹槽，且圆盘试样与下部腔体的凹槽间设置有O型圈用于密封；所述压环内嵌在上部腔体内，且与上部腔体过盈配合，压环用于向放置在下部腔体凹槽内的圆盘试样施加压应力，压环与上部腔体之间、压环与圆盘试样之间都分别设置有O型圈用于密封；压环采用环形压环，压环的外直径与圆盘试样的直径相同，压环的内直径与上部腔体的内直径、下部腔体的内直径相同；上部腔体与下部腔体上分别设置有上部腔体通气口和下部腔体通气口 ； 所述氢气瓶组用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口分别连接至低压储罐的进气口，低压储罐的排出口连接至气动增压泵，气动增压泵连接至高压储罐，高压储罐的排气口分别与上部腔体通气口和下部腔体通气口连通；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至低压储罐的放氢回路，用于将上部腔体或下部腔体中排放出的氢气回收至低压储罐；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至氩气瓶组的置换管路，用于对上部腔体或下部腔体进行气体置换；上部腔体通气口、下部腔体通气口还与真空泵的进气口连接； 所述放氢回路上设有放氢回路阀门，上部腔体通气口处设有上部腔体流量控制阀门，下部腔体通气口处设有下部腔体流量控制阀门，真空泵的进气口处设有真空泵阀门，高压储罐的排气口处设有高压储罐出口阀；所述氢气瓶组的排气口处、氩气瓶组的排气口处、低压储罐的进气口处、置换管路上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D ; 所述控制系统模块用于控制气动增压泵和真空泵的运行、所有阀门的开度。2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述上部腔体通气口、下部腔体通气口还设有放空管路，并设有放空阀门用于控制； 所述上部腔体通气口、下部腔体通气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门；即上部腔体通气口、下部腔体通气口之间设有经过上部腔体流量控制阀门、支路阀门、下部腔体流量控制阀门的连通管路； 所述氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验腔体、低压储罐、高压储罐内都设置有压力传感器，并能通过控制系统模块控制试验腔体、低压储罐、高压储罐内的压力信号采集。4.根据权利要求1至3任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验腔体的设计压力为35?lOOMPa，且上部腔体和下部腔体都采用由奥氏体不锈钢制造的腔体，压环采用由抗拉强度大于SOOMPa的高强钢制造的压环。
【专利摘要】本发明涉及材料力学性能测试设备开发领域，旨在提供多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置。该多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块，能在高压氢环境下对圆盘试样进行力学性能测试。本发明利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备体积极大地缩小，设备投入降低，操作简便，试验效率提高；且在试验过程中，圆盘试样的应变和位移等参数可方便地进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。
【IPC分类】G01N3/12, G01N3/02
【公开号】CN104897472
【申请号】CN201510349246
【发明人】郑津洋, 花争立, 顾超华, 赵永志, 刘鹏飞, 崔天成, 黄改
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日
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