多功能壓差式高壓氫與材料相容性的試驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于材料力學性能測試設(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)】
[0002]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，裂紋擴展速度變大，進而造成高壓氫系統(tǒng)在服役過程中突然發(fā)生嚴重失效，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宄。
[0003]要進行金屬材料與高壓氫的相容性研宄，應(yīng)當在高壓氫環(huán)境下(高達10MPa)開展材料的力學性能測試。這就對相應(yīng)的試驗裝置提出了較高的要求。世界上許多研宄機構(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)鍵問題:
[0004](I)設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，成本高，操作復雜
[0005]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10MPa)，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。
[0006](2)存在高壓氫氣動密封結(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。
[0008](3)高壓氫氣環(huán)境中試樣的各項參數(shù)測量難度大
[0009]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)生嚴重漂移，造成測量的不準確。
[0010](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
[0011]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】

[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:
[0013]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10MPa)對圓盤試樣進行力學性能測試，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；
[0014]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；
[0015]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，真空泵的進氣口處設(shè)有真空泵閥門，高壓儲罐的排氣口處設(shè)有高壓儲罐出口閥；所述氫氣瓶組的排氣口處、氬氣瓶組的排氣口處、低壓儲罐的進氣口處、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)模塊用于控制氣動增壓泵和真空泵的運行、所有閥門的開度。其實現(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，對現(xiàn)有技術(shù)手段加以利用以實現(xiàn)相關(guān)功能。由于這些內(nèi)容并非本發(fā)明重點，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、低壓儲罐的進氣口之間的連通管路經(jīng)過閥門A、閥門C，氬氣瓶組的排氣口、低壓儲罐的進氣口之間的連通管路經(jīng)過閥門B、閥門E、閥門C。
[0021]在本發(fā)明中，所述試驗腔體、低壓儲罐、高壓儲罐內(nèi)都設(shè)置有壓力傳感器，并能通過控制系統(tǒng)模塊控制試驗腔體、低壓儲罐、高壓儲罐內(nèi)的壓力信號采集。
[0022]在本發(fā)明中，所述試驗腔體的設(shè)計壓力為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)采用由抗拉強度大于SOOMPa的高強鋼制造的壓環(huán)。
[0023]提供基于所述試驗裝置的爆破試驗測試方法，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圓盤試樣布置位移測試裝置和應(yīng)變測試裝置；
[0025]步驟B:用真空泵抽掉試驗裝置及附屬管道內(nèi)的殘余空氣，直到系統(tǒng)內(nèi)真空度達到設(shè)定值后，使用氣動增壓泵對高壓儲罐進行高壓氫氣充裝，直到高壓儲罐內(nèi)氫氣壓力達到設(shè)定值；
[0026]步驟C:再次使用真空泵對下部腔體及其附屬的管路進行抽真空至設(shè)定真空度后，關(guān)閉真空泵，通過下部腔體流量控制閥門使高壓儲罐內(nèi)的氫氣以特定的速率進入下部腔體內(nèi)，直至圓盤試樣爆破，切斷氫氣源，記錄爆破壓力，并在