本發(fā)明涉及高壓氫實驗設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種能夠與普通拉伸機配合使用的輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置。

背景技術(shù)：

氫能、石油化工、核電和海洋開發(fā)是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。在這些領(lǐng)域中設(shè)備往往需要在高溫、高壓和高腐蝕的環(huán)境中運行。

高溫高壓的腐蝕問題，是威脅設(shè)備安全穩(wěn)定運行的重要因素。在高溫高壓環(huán)境下運行的設(shè)備一旦發(fā)生失效，就可能造成非常嚴(yán)重的后果。例如：2003年在四川川東某氣田發(fā)生了含h2s油氣的泄漏事故，造成了200多人死亡，上萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失數(shù)千萬元。類似的極端環(huán)境也出現(xiàn)在各個行業(yè)領(lǐng)域中，例如目前經(jīng)常采用加氫的方式來提高燃油的油品質(zhì)量。在加氫反應(yīng)器中，氫氣的壓力高達(dá)4mpa-10mpa，而溫度則超過300攝氏度。眾所周知，在氫氣環(huán)境中，許多材料都會發(fā)生力學(xué)性能的損減，通常被稱為“氫脆”。因此在臨氫設(shè)備的設(shè)計中，材料在該溫度和壓力下的原位力學(xué)性能參數(shù)是不可缺少的重要數(shù)據(jù)。又例如在核電的導(dǎo)熱回路中，高溫水的壓力高達(dá)20mpa，溫度也超過300攝氏度，在這種環(huán)境下極少量的氧就可能對材料造成嚴(yán)重的破壞，這一般被稱為應(yīng)力腐蝕開裂。因此也要獲取在這種環(huán)境下的材料服役性能，才能保證設(shè)備設(shè)計制造有據(jù)可依。所以，在高溫高壓高腐蝕的環(huán)境中，服役環(huán)境有可能會材料的力學(xué)性能，而威脅設(shè)備的安全運行，因此在模擬工況下的原位試驗數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。

目前，對于高溫試驗的原位試驗，我國還比較落后，沒有具有壓力平衡的實驗設(shè)備。即使在國際上，生產(chǎn)制造高溫高壓力學(xué)實驗設(shè)備的公司也并不是很多。另外，現(xiàn)有的高溫高壓力學(xué)實驗設(shè)備也很少有可以與拉伸機分離的便攜式環(huán)境箱。在國際上比較知名的廠家分別生產(chǎn)不同類型的實驗設(shè)備。美國的corrotest公司生成的試驗機主要用于腐蝕環(huán)境中的慢應(yīng)變速率拉伸實驗，具有壓力平衡系統(tǒng)，他們生產(chǎn)的設(shè)備為拉伸機和環(huán)境箱組合為一體的專用設(shè)備，并且價格不菲，其售價折合人民幣大約是100萬元，并且這類設(shè)備無法進(jìn)行超過250攝氏度的實驗。而日本的日東高壓生成的設(shè)備主要是針對高溫環(huán)境的，例如：核電中出現(xiàn)的高溫水環(huán)境，他們的設(shè)備也是和拉伸機是一套使用的，不可拆卸?，F(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的高溫高壓環(huán)境力學(xué)測試系統(tǒng)，例如蘇試試驗公司生成的高壓環(huán)境箱也都是環(huán)境箱和拉伸機是組合到一起匹配生產(chǎn)的，環(huán)境箱不可拆卸。而大連科貿(mào)有限公司生成的高溫高壓環(huán)境箱則不具備壓力平衡系統(tǒng)，并且無法達(dá)到250攝氏度以上的高溫。當(dāng)設(shè)備中無壓力平衡系統(tǒng)時，容器中的氣體壓力會直接作用于拉伸桿上，并進(jìn)而作用于被測試樣上，這種內(nèi)壓有時會使被測材料產(chǎn)生100mpa的拉應(yīng)力，這大大增加了實驗的危險性，也降低了實驗的準(zhǔn)確度。因此為了保證實驗的安全進(jìn)行，傳統(tǒng)的設(shè)備非常龐大，因此就需要定制的拉伸機與之匹配。這大大的增加了設(shè)備的投入成本，也因為這種壓力的限制，實驗的容器的極限壓力受到限制（過高的壓力的內(nèi)壓可能會直接把試樣拉斷）。另外也限制了拉伸機本身作為一種傳統(tǒng)實驗設(shè)備的使用范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的超高壓氫環(huán)境實驗裝置體積大，壓力低的不足，提供了一種能夠與普通拉伸機配合使用的輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置，包括封蓋，與封蓋連接的上釜體，與上釜體連接的下釜體，上拉伸桿和下拉伸桿；上拉伸桿上端與拉伸機連接，上拉伸桿伸入封蓋、上釜體和下釜體中，下拉伸桿上部伸入下釜體中，上拉伸桿和下拉伸桿的相對端均設(shè)有夾頭；所述上釜體包括設(shè)有第一豎向通孔的上腔體，由上至下依次設(shè)于上拉伸桿中部和第一豎向通孔之間的上環(huán)形支撐件和第一動密封結(jié)構(gòu)，由上至下依次設(shè)于上拉伸桿和第一豎向通孔下部之間的第二動密封結(jié)構(gòu)和下環(huán)形支撐件；上拉伸桿上設(shè)有用于支撐第一動密封結(jié)構(gòu)的支撐凸臺；

封蓋、上拉伸桿和上釜體圍成上空腔，上釜體、上拉伸桿、下拉伸桿和下釜體圍成中空腔，上腔體上設(shè)有聯(lián)通上空腔和中空腔的導(dǎo)氣管，封蓋內(nèi)設(shè)有第三動密封結(jié)構(gòu)，下拉伸桿和下釜體之間設(shè)有靜密封結(jié)構(gòu)；封蓋和上釜體之間設(shè)有密封圈；

下釜體外周面上包覆有加熱絲層，加熱絲層外部設(shè)有絕熱層。

目前，大多數(shù)輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置都需要進(jìn)口，都需要單獨匹配拉伸機，不能夠與普通拉伸機配合使用的，不容易拆裝，嚴(yán)重阻礙了我國的高溫高壓等極端環(huán)境的技術(shù)掌握，阻礙了自主技術(shù)的創(chuàng)新。

在傳統(tǒng)的力學(xué)試驗裝置中，當(dāng)腔體內(nèi)部承受超高壓時，由于試樣與夾頭的橫截面不同，腔體內(nèi)的超高壓會對上拉伸桿產(chǎn)生一個向上的壓力，由于超高壓的存在，這個壓力就轉(zhuǎn)移到對試樣的拉力上，這個拉力非常大，會導(dǎo)致試樣提前斷裂。為此本發(fā)明添加了壓力平衡系統(tǒng)，用一條導(dǎo)氣管，將中空腔內(nèi)的超高壓氣體導(dǎo)入上空腔中，而與上導(dǎo)向環(huán)和下導(dǎo)向環(huán)之間的第一豎向通孔相對應(yīng)的上腔體上設(shè)有排氣孔，與外界大氣壓保持一致。上拉伸桿的第一動密封處的截面積與第三動密封處的截面積相同，而第二動密封處的凸臺截面積為第一動密封處截面積的2倍，因此在中空腔和上腔體同時產(chǎn)生高壓時，中空腔給上拉伸桿的向上的壓力和上腔體給上拉伸桿的向下壓力相等，此時上拉伸桿在軸向上的受力平衡；本發(fā)明可以有效避免試樣提前斷裂的情況的發(fā)生。力學(xué)試驗裝置的質(zhì)量不超過30kg，腔體體積僅120cm³，能承受120mpa的氣體壓力；下釜體可拆卸，靈活便捷地進(jìn)行試樣的裝卸。

腔體體積小，實驗成本低，且安全系數(shù)較高；封蓋和釜體均使用動密封結(jié)構(gòu)，密封性能好；

封蓋和上腔體使用通氣管平衡壓力，消除了上拉伸桿可能受到的徑向力；使用多重密封圈和墊圈，有效減緩了高壓氣體對上釜體和下釜體的作用力；下釜體下部使用了多重結(jié)構(gòu)來避免釜體墜落造成安全事故。

作為優(yōu)選，上環(huán)形支撐件和下環(huán)形支撐件均為螺母，與第二動密封結(jié)構(gòu)和支撐凸臺之間的第一豎向通孔相對應(yīng)的上腔體上設(shè)有排氣孔，排氣孔與第一豎向通孔聯(lián)通；上腔體下部設(shè)有與中腔體聯(lián)通的導(dǎo)氣管口、進(jìn)氣口、出氣口、數(shù)字傳感器接口、壓力傳感器接口和爆破片口。

排氣孔使上腔體內(nèi)的氣壓與外界保持一致，保證壓力平衡系統(tǒng)的正常作用。通氣管接口，可以接入通氣管，將中空腔內(nèi)的氣體導(dǎo)入封蓋與封蓋主體間的上空腔內(nèi)，是壓力平衡系統(tǒng)的組成部分之一。

進(jìn)氣口用于與氣泵連接，給中空腔加壓，出氣口用于實驗時給中空腔放氣。

數(shù)字傳感器接口用于連接數(shù)字傳感器，壓力傳感器接口用于連接壓力傳感器。

作為優(yōu)選，下釜體包括設(shè)有第二豎向通孔的下腔體，設(shè)于下拉伸桿上的與下腔體下部配合的環(huán)形凸臺，設(shè)于下腔體下端和下拉伸桿之間的第一螺帽和第二螺帽，第一螺帽與下拉伸桿螺紋連接，第二螺帽位于第一螺帽外部并與下腔體螺紋連接。當(dāng)下拉伸桿在環(huán)形凸臺以外位置斷裂等意外情況發(fā)生時，第一螺帽與下拉伸桿咬合，防止下拉伸桿掉落。第二螺帽又承受著壓緊螺母與下拉伸桿共同的壓力，防止其在中空腔內(nèi)壓力作用下沖出。

作為優(yōu)選，上拉伸桿上部設(shè)有橫向通孔。上拉伸桿在超負(fù)荷情況下，會在橫向通孔處最先發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在上釜體外面，保護上釜體的部件，避免上拉伸桿在上釜體內(nèi)部發(fā)生斷裂時，由于受到內(nèi)部的高壓作用，斷裂部分沖出，提高了安全性能。

作為優(yōu)選，下拉伸桿下端設(shè)有與拉伸機連接的連接桿。當(dāng)下釜體內(nèi)的試樣拉斷時，下環(huán)形凸臺可以使下拉伸桿仍然固定在下釜體內(nèi)內(nèi)，防止下拉伸桿被拉出，有效避免實驗事故的發(fā)生。

作為優(yōu)選，封蓋包括可伸入上拉伸桿的階梯孔，階梯孔的直徑由上至下逐漸增大，第三動密封結(jié)構(gòu)位于階梯孔中部內(nèi)，階梯孔下部內(nèi)設(shè)有封蓋螺母，封蓋螺母下部伸入第一豎向通孔中。

作為優(yōu)選，第一動密封結(jié)構(gòu)、第二動密封結(jié)構(gòu)和第三動密封結(jié)構(gòu)均包括由上至下依次排列的第一密封圈、第二密封圈、625合金墊圈和彈簧；第一密封圈和第二密封圈均采用柔性石墨材料制成。

作為優(yōu)選，第一密封圈、第二密封圈的橫截面均為梯形，第一密封圈和第二密封圈的組合在一起的橫截面構(gòu)成矩形；625合金墊圈橫截面為矩形。

作為優(yōu)選，靜密封結(jié)構(gòu)包括由上至下排列的第一密封圈、第二密封圈、625合金墊圈、第一密封圈和第二密封圈；每個第一密封圈、第二密封圈的橫截面均為梯形，相鄰的第一密封圈和第二密封圈的組合到一起的橫截面構(gòu)成矩形。

在進(jìn)行高壓試驗時，第一、第二和第三動密封處的彈簧會給兩個柔性石墨密封圈一個預(yù)緊力，幫助兩個柔性石墨密封圈可以更好的與容器貼緊，保持密封。因此容器中的內(nèi)壓會直接作用與柔性石墨密封圈上，由于兩個柔性石墨密封圈的截面為梯形，，所以在高壓的作用下，兩個密封圈會產(chǎn)生相對滑動，第二密封圈向外滑動與釜壁緊密接觸，并達(dá)到釜壁的密封，第一密封圈則向內(nèi)滑動僅僅抱住拉伸桿，達(dá)到密封圈與拉伸桿的密封。在動載荷實驗時，柔性石墨密封圈會自然磨損，并實現(xiàn)對拉伸桿的潤滑作用，并通過彈簧對磨損進(jìn)行補償。

本專利有以下優(yōu)點：

1.結(jié)構(gòu)輕巧，無需定制拉伸機，可以直接安裝于普通的拉伸機之上，并不需要單獨的固定支架，拆裝方便。

2.具有壓力平衡系統(tǒng)，可以進(jìn)行超高壓實驗（100mpa以上為超高壓），氣體內(nèi)壓不會對試樣的應(yīng)力影響。

3.用料少，成本低。

4.采用雙梯形截面柔性石墨密封圈耦合與彈簧補償?shù)拿芊夥绞?，耐溫耐壓效果好?/p>

5.采用多種防護措施防止實驗以外發(fā)生時造成人身傷害。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的動密封結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的靜密封結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：封蓋1、上釜體2、下釜體3、上拉伸桿4、下拉伸桿5、夾頭6、密封圈7、階梯孔11、封蓋螺母13、第三動密封結(jié)構(gòu)14、上腔體21、上環(huán)形支撐件22、第一動密封結(jié)構(gòu)23、第二動密封結(jié)構(gòu)24、下環(huán)形支撐件25、上空腔27、中空腔28、導(dǎo)氣管口29、下腔體31、環(huán)形凸臺32、第一螺帽33、第二螺帽34、絕熱層38、加熱絲層39、橫向通孔41、靜密封結(jié)構(gòu)52、第一密封圈201、第二密封圈202、625合金墊圈203、彈簧204、導(dǎo)氣管211、排氣孔281。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

如圖1所示的一種輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置，包括封蓋1，與封蓋連接的上釜體2，與上釜體連接的下釜體3，上拉伸桿4和下拉伸桿5；上拉伸桿上端與拉伸機連接，上拉伸桿伸入封蓋、上釜體和下釜體中，下拉伸桿上部伸入下釜體中，上拉伸桿和下拉伸桿的相對端均設(shè)有夾頭6；所述上釜體包括設(shè)有第一豎向通孔的上腔體21，由上至下依次設(shè)于上拉伸桿中部和第一豎向通孔之間的上環(huán)形支撐件22和第一動密封結(jié)構(gòu)23，由上至下依次設(shè)于上拉伸桿和第一豎向通孔下部之間的第二動密封結(jié)構(gòu)24和下環(huán)形支撐件25；上拉伸桿上設(shè)有用于支撐第一動密封結(jié)構(gòu)的支撐凸臺41；

封蓋、上拉伸桿和上釜體圍成上空腔27，上釜體、上拉伸桿、下拉伸桿和下釜體圍成中空腔28，上腔體上設(shè)有聯(lián)通上空腔和中空腔的導(dǎo)氣管211，封蓋內(nèi)設(shè)有第三動密封結(jié)構(gòu)14，下拉伸桿和下釜體之間設(shè)有靜密封結(jié)構(gòu)52；封蓋和上釜體之間設(shè)有密封圈7；

下釜體外周面上包覆有加熱絲層39，加熱絲層外部設(shè)有絕熱層38。

上環(huán)形支撐件和下環(huán)形支撐件均為螺母，與第二動密封結(jié)構(gòu)和支撐凸臺之間的第一豎向通孔相對應(yīng)的上腔體上設(shè)有排氣孔28，排氣孔與第一豎向通孔聯(lián)通；上腔體下部設(shè)有與中腔體聯(lián)通的導(dǎo)氣管口29、進(jìn)氣口、出氣口、數(shù)字傳感器接口、壓力傳感器接口和爆破片口。

下釜體包括設(shè)有第二豎向通孔的下腔體31，設(shè)于下拉伸桿上的與下腔體下部配合的環(huán)形凸臺32，設(shè)于下腔體下端和下拉伸桿之間的第一螺帽33和第二螺帽34，第一螺帽與下拉伸桿螺紋連接，第二螺帽位于第一螺帽外部并與下腔體螺紋連接。上拉伸桿上部設(shè)有橫向通孔41。下拉伸桿下端設(shè)有與拉伸機連接的連接桿。封蓋包括可伸入上拉伸桿的階梯孔11，階梯孔的直徑由上至下逐漸增大，第三動密封結(jié)構(gòu)位于階梯孔中部內(nèi)，階梯孔下部內(nèi)設(shè)有封蓋螺母13，封蓋螺母下部伸入第一豎向通孔中。

如圖2所示，第一動密封結(jié)構(gòu)、第二動密封結(jié)構(gòu)和第三動密封結(jié)構(gòu)均包括由上至下依次排列的第一密封圈201、第二密封圈202、625合金墊圈203和彈簧204；第一密封圈和第二密封圈均采用柔性石墨材料制成。

第一密封圈、第二密封圈的橫截面均為梯形，第一密封圈和第二密封圈組合在一起的橫截面構(gòu)成矩形；625合金墊圈橫截面為矩形。

如圖3所示，靜密封結(jié)構(gòu)包括由上至下排列的第一密封圈201、第二密封圈202、625合金墊圈203、第一密封圈和第二密封圈；每個第一密封圈、第二密封圈的橫截面均為梯形，相鄰的第一密封圈和第二密封圈組合到一起的橫截面構(gòu)成矩形。

本發(fā)明的工作過程如下：

首先取下加熱絲層，扭開上釜體和下釜體之間的8個螺栓，將下釜體與上釜體分離。打開下釜體底部的第一螺帽和第二螺帽，將下拉伸桿推入下釜體中，并從下釜體的上口取出下拉伸桿；

將被測試樣的兩端分別安裝到上拉伸桿的下端和上拉伸桿的上端，然后將下拉伸桿重新從下釜體的上口裝入并從下口拉出，并重新裝回第一螺帽和第二螺帽，并緊固第一螺帽和第二螺帽，如需要進(jìn)行高壓液體實驗，此時往中空腔內(nèi)裝入液體，并用8個螺栓連接上釜體和下釜體并緊固，然后套上加熱絲層。

進(jìn)行氣密性檢測，檢查所有的閥門并確保其處于關(guān)閉狀態(tài)，然后從進(jìn)氣口將惰性氣體通入中空腔內(nèi)，使其達(dá)到實驗壓力的1.2倍，并保壓；通過壓力表示數(shù)的變化判定，設(shè)備是否漏氣，檢驗方式為在通入氣體后10分鐘開始后的10分鐘內(nèi)示數(shù)是否有下降。如有泄漏應(yīng)進(jìn)行排除。

確認(rèn)無泄漏后，旋開出氣口，進(jìn)行泄壓，然后將輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置整體安裝于拉伸機的上下兩個夾持端上，可以使用螺紋連接，也可以直接使用拉伸機的夾頭，在連接時首先調(diào)整拉伸機的上下夾頭之間的位置，使之與本裝置的尺寸相匹配；

按照實驗的目的，進(jìn)行試驗，加熱溫度和通入氣體可以根據(jù)實驗的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)；

實驗完成后，使加熱絲層停止加熱，待溫度降至室溫，取下輕便式高溫高壓力學(xué)試驗裝置，拆下加熱絲層，將本裝置豎直放置，并打開上釜體和下釜體之間的螺栓，將下釜體取下，然后倒出實驗溶液，后打開第一螺帽和第二螺帽，將下拉伸桿推入釜腔內(nèi)，移開下釜體，取下實驗后的試樣，實驗結(jié)束。

應(yīng)理解，本實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。