[發(fā)明專利]多功能壓差式高壓氫與材料相容性的試驗裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510349246.4
• 申請日: 2015-06-19
• 公開（公告）號: CN104897472B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭津洋;花爭立;顧超華;趙永志;劉鵬飛;崔天成;黃改
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02
• 代理公司: 杭州中成專利事務(wù)所有限公司33212
• 代理人: 周世駿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于材料力學(xué)性能測試設(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試驗裝置。

背景技術(shù)

氫氣是化石能源的清潔利用以及新能源發(fā)展過程中重要的組成部分。氫氣通常以高壓氣態(tài)的形式進(jìn)行儲存和運輸。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，使得高壓氫系統(tǒng)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(kuò)展速度變大，進(jìn)而造成高壓氫系統(tǒng)在服役過程中突然發(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研究。

要進(jìn)行金屬材料與高壓氫的相容性研究，應(yīng)當(dāng)在高壓氫環(huán)境下(高達(dá)100MPa)開展材料的力學(xué)性能測試。這就對相應(yīng)的試驗裝置提出了較高的要求。世界上許多研究機構(gòu)都開展了材料在高壓氫環(huán)境中相容性研究設(shè)備的研發(fā)，但是上述設(shè)備都面臨如下的關(guān)鍵問題：

(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，操作復(fù)雜

目前開發(fā)的氫相容性試驗裝置多是在傳統(tǒng)材料試驗機的基礎(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)100MPa)，造成設(shè)備造價昂貴。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]中提出的試驗裝置，不僅設(shè)備本身的成本較高，且每次試驗需多人操作設(shè)備，氫氣消耗量也大。

(2)存在高壓氫氣動密封結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生泄漏

現(xiàn)有的材料與氫相容性試驗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)置動密封元件。而實踐表明，現(xiàn)有的動密封結(jié)構(gòu)壽命非常短，經(jīng)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(fā)生失效，造成氫氣的泄漏，存在較大安全隱患。

(3)高壓氫氣環(huán)境中試樣的各項參數(shù)測量難度大

在高壓氫氣環(huán)境中，試樣應(yīng)變、力等測量元件由于受氫氣的影響，信號會發(fā)生嚴(yán)重漂移，造成測量的不準(zhǔn)確。

(4)試樣的受力狀態(tài)與實際構(gòu)件的受力狀態(tài)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(yīng)力或三向應(yīng)力的作用。而現(xiàn)有的試驗機通常是測試試樣在單向應(yīng)力作用下的失效行為，與構(gòu)件的實際服役狀況還存在一定差距。

發(fā)明內(nèi)容

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對圓盤試樣施加載荷的實驗裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

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(huán)境下(高達(dá)100MPa)對圓盤試樣進(jìn)行力學(xué)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(tǒng)模塊；

所述試驗腔體包括端蓋、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；

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(jìn)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(shè)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(shè)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(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；