无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法技术

本发明专利技术公开了无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法，本发明专利技术利用环境箱底盖往复水平运动的加载频率与试样部件的固有频率相同来激发试样部件产生共振的方法从而实现试样在高压氢气环境下的疲劳测试，无需设置动密封结构即可实现高压氢环境下材料疲劳性能的测试，尤其是实现高/低温高压氢环境下的高周或高频疲劳试验。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及一种无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法。
技术介绍
氢能是新世纪重要的二次能源，而高压储氢是目前占主导地位的氢能储存方式。然而，材料长期工作在高压氢气环境下，其力学性能会因氢脆而发生损伤，尤其在疲劳载荷作用下，材料在高压氢气下的抗疲劳性能会严重下降。为确保高压氢系统的长久、可靠运行，必须对材料在高压氢气环境下的力学性能（尤其是抗疲劳性能）进行测试和评估。目前，高压氢气环境下材料力学性能测试设备主要有两类。一类采用非标试样，如专利[201510349246.4]所采用的圆盘试样，这类设备对试样加工精度等因素的依赖性较强，难以形成标准统一的测试方法和材料性能评价指标。另一类采用在传统试验机主机上对接高压氢环境箱的形式(见图1所示)：把试样安装在高压氢环境箱里面；加载杆一端与传统试验机主机上的作动器连接，另一端则伸入环境箱内部与试样相连接，从而将作动器施加的载荷传递到试样上进行加载；该类设备可借鉴现有的材料力学性能测试与评价方法，是目前更为广泛应用的结构。但此类设备的设计开发面临以下关键难题：（1）难以实现高频或高周疲劳试验由于加载过程中（尤其是疲劳载荷下），加载杆与环境箱之间存在相对运动，因此需要设置动密封结构来避免氢气泄漏以及稳定环境箱内部氢压。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，因为磨损和吸氢膨胀等原因而突然发生失效。尤其在疲劳试验过程中，加载杆来回往复运动，更容易加剧动密封件的磨损，而且疲劳载荷频率越高，磨损越严重，进而极易导致密封件磨损失效引起氢气泄漏而被迫中止试验。这也是现有技术难以实现材料在高压氢环境下高频(频率大于10Hz)或高周(循环次数大于105)疲劳试验的症结所在。（2）摩擦功耗严重加载过程中，加载杆在动密封处往往产生较大的摩擦力，试验介质的压力越高，该摩擦力越大，可高达10kN。因此，此类设备往往摩擦功耗严重，也进一步加剧了密封件的磨损。（3）需设置复杂的轴向力平衡结构高压氢环境箱里的高压气体在加载杆轴向可产生高达数吨的外推力，该轴向力在待测试样断裂时会对作动器造成较大冲击，严重降低试验装置的精度和使用寿命。因此，必须设置相应的轴向力平衡结构来消除该轴向载荷。然而该轴向力平衡结构往往需要增加一道动密封（如专利[201110259252.2]所提出的试验装置），这进一步加大了氢气泄漏的可能性，以及加大摩擦功耗。同时，动密封的增加，必然进一步制约试验装置的可靠性和耐久性。（4）缺乏设备健康状况的实时监测此类设备工作压力高（高达140MPa），试验介质为易燃易爆的氢气，因此倘若设备出现裂纹造成氢气泄漏而不能及时监测的话，将会造成严重危害。然而，目前此类设备往往缺乏合理的结构设计，不能实时进行设备健康状况监测，难以在设备出现氢气泄漏瞬间及时激活紧急制动系统，保障试验人员的安全。（5）缺乏合理的控温结构温度是材料在高压氢气环境下疲劳性能的重要影响因素，因此需要此类设备具备高温高压氢气或者低温高压氢气试验功能。然而，目前此类设备缺乏合理的控温结构。如专利[201510316095.2]公开了一种高温氢气环境材料性能试验装置，并不具备低温试验功能，此外采用电阻丝直接对氢气加热的方式使强电与高压氢气直接接触，存在较大安全隐患。再如，专利[201420753372.7]采用外部夹套换热的方式来实现高低温功能，但换热介质须先与筒体壁进行换热后才能与环境箱里的气体进行换热，为能承受高压气体其筒体壁往往较厚，导致夹套里的换热介质不能有效地对筒体内的气体进行换热，该结构总体换热效率较低，且夹套还会沿外壁进行散热，造成热量的严重浪费。（6）缺乏合理的快开结构针对氢环境箱采用快速启闭结构可大大缩短试验时间，提高试验效率。但目前此类设备缺乏合理的快开结构。如专利[201110259252.2]采用的是柱销式快开结构，该结构需要在环境箱的箱体和密封座上开孔，开孔处产生较大的应力集中，往往是产生失效之处。此外，该结构中的柱销在剪应力作用下极易发生弯曲变形，经常在使用较短时间后即出现柱销弯曲变形过大难以插进销孔而无法工作，可靠性较低。再如，专利[201420753372.7]采用的是齿啮式卡箍连接的快开结构，但该结构的齿根处是高度应力集中之处，严重降低结构使用寿命；同时，卡箍和齿啮的尺寸往往较大以增加接触面来承受载荷，使得此类快开结构往往较为庞大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种无需设置动密封结构即可实现高压氢环境下材料疲劳性能的试验方法，尤其是实现高/低温高压氢环境下材料的高周或高频疲劳试验，且能实现试验过程中试验安全状况的实时监测。为解决技术问题，本专利技术采用的解决方案如下。基于无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验装置，无需设置动密封结构即可实现高/低温高压氢环境下材料的高周或高频疲劳测试，所述试验方法具体包括以下步骤：步骤A：安装试样，即首先移除左矩形压框和右矩形压框，然后移除环境箱顶盖，分离环境箱顶盖与环境箱底盖，使环境箱底盖上的试样安装部位完全暴露在外；安装好试样，然后将与加速度传感器连接的砝码连接到试样上；步骤B：扫频，即在开始正式疲劳试验前还需进行正弦振动扫频，以确定由砝码与试样构成的共振部件的固有频率；通过激振器对环境箱底盖施加沿水平方向的激振载荷，使环境箱底盖以恒定加速度、递增频率发生简谐运动即沿水平方向的正弦振动，采用的是对数扫频，通过加速度传感器的反馈信号中的波峰值来确定共振部件的前三阶固有频率；步骤C：填充低压高纯气体，即闭合环境箱顶盖到环境箱底盖上，然后把左矩形压框和右矩形压框分别扣入环境箱，使得环境箱顶盖与环境箱底盖连接成一体，启动真空泵对夹套内腔进行抽真空，抽真空结束后，关闭阀门，后续再次试验时无须再次抽真空，继而，启动真空泵对筒体内腔和系统管路进行抽真空，接着连通氢气瓶，利用氢气瓶里的低压氢气对筒体内腔进行若干次置换，直至筒体内腔的氢气纯度达到试验要求，此时，筒体内填充满低压高纯氢气；步骤D：调温，即启动制冷加热机对筒体内腔气体进行调温，直到试验气体介质达到设定的试验温度；步骤E：增压，即启动增压器对筒体内的气体进行缓慢增压，直至试验气体介质达到设定的试验压力；增压及后续试验过程中，制冷加热机仍处于工作状态，以对筒体内的高压气体温度进行微调，确保试样处于设定温度下的高压高纯氢气环境中；步骤F：疲劳测试，即启动激振器驱动环境箱底盖沿水平方向作简谐运动，加载频率取为步骤B中所获得的第一阶固有频率，从而迫使砝码产生沿水平方向的共振；试样的上端则在砝码的交变惯性力作用下承受循环疲劳载荷并作往复来回运动，该疲劳载荷的大小可通过加速度传感器测得的加速度a及砝码的质量m结合牛顿第二定律F=ma经工控机自动处理并显示和记录；试验过程中，工控机还实时记录所有传感器采集的数据以及疲劳载荷的循环次数，同时实时分析加速度传感器信号，使激励频率跟踪共振部件固有频率，保持共振状态；当加速度传感器响应的第一阶固有频率相对于初始值降低5%时，说明试样开始出现裂纹发生失效，此时结束疲劳试验；或者当试验循环次数达到设定值时，也可结束疲劳试验；同时记录试样所经历的疲劳循环次数和疲劳载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法，其特征在于，基于无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验装置，无需设置动密封结构即可实现高/低温高压氢环境下材料的高周或高频疲劳测试，所述试验方法具体包括以下步骤：步骤A：安装试样，即首先移除左矩形压框和右矩形压框，然后移除环境箱顶盖，分离环境箱顶盖与环境箱底盖，使环境箱底盖上的试样安装部位完全暴露在外；安装好试样，然后将与加速度传感器连接的砝码连接到试样上；步骤B：扫频，即在开始正式疲劳试验前还需进行正弦振动扫频，以确定由砝码与试样构成的共振部件的固有频率；通过激振器对环境箱底盖施加沿水平方向的激振载荷，使环境箱底盖以恒定加速度、递增频率发生简谐运动即沿水平方向的正弦振动，采用的是对数扫频，通过加速度传感器的反馈信号中的波峰值来确定共振部件的前三阶固有频率；步骤C：填充低压高纯气体，即闭合环境箱顶盖到环境箱底盖上，然后把左矩形压框和右矩形压框分别扣入环境箱，使得环境箱顶盖与环境箱底盖连接成一体，启动真空泵对夹套内腔进行抽真空，抽真空结束后，关闭阀门，后续再次试验时无须再次抽真空，继而，启动真空泵对筒体内腔和系统管路进行抽真空，接着连通氢气瓶，利用氢气瓶里的低压氢气对筒体内腔进行若干次置换，直至筒体内腔的氢气纯度达到试验要求，此时，筒体内填充满低压高纯氢气；步骤D：调温，即启动制冷加热机对筒体内腔气体进行调温，直到试验气体介质达到设定的试验温度；步骤E：增压，即启动增压器对筒体内的气体进行缓慢增压，直至试验气体介质达到设定的试验压力；增压及后续试验过程中，制冷加热机仍处于工作状态，以对筒体内的高压气体温度进行微调，确保试样处于设定温度下的高压高纯氢气环境中；步骤F：疲劳测试，即启动激振器驱动环境箱底盖沿水平方向作简谐运动，加载频率取为步骤B中所获得的第一阶固有频率，从而迫使砝码产生沿水平方向的共振；试样的上端则在砝码的交变惯性力作用下承受循环疲劳载荷并作往复来回运动，该疲劳载荷的大小可通过加速度传感器测得的加速度a及砝码的质量m结合牛顿第二定律F=ma经工控机自动处理并显示和记录；试验过程中，工控机还实时记录所有传感器采集的数据以及疲劳载荷的循环次数，同时实时分析加速度传感器信号，使激励频率跟踪共振部件固有频率，保持共振状态；当加速度传感器响应的第一阶固有频率相对于初始值降低5%时，说明试样开始出现裂纹发生失效，此时结束疲劳试验；或者当试验循环次数达到设定值时，也可结束疲劳试验；同时记录试样所经历的疲劳循环次数和疲劳载荷；步骤G：泄压、回温，即开启放空阀对系统泄压，并使用低压氩气对系统进行吹扫以除去系统残留的氢气；然后通过制冷加热机将系统温度恢复为室温；步骤H：取出试样，即移除左矩形压框和右矩形压框，分离环境箱顶盖与环境箱底盖，取出试样。...

【技术特征摘要】
1.无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法，其特征在于，基于无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验装置，无需设置动密封结构即可实现高/低温高压氢环境下材料的高周或高频疲劳测试，所述试验方法具体包括以下步骤：步骤A：安装试样，即首先移除左矩形压框和右矩形压框，然后移除环境箱顶盖，分离环境箱顶盖与环境箱底盖，使环境箱底盖上的试样安装部位完全暴露在外；安装好试样，然后将与加速度传感器连接的砝码连接到试样上；步骤B：扫频，即在开始正式疲劳试验前还需进行正弦振动扫频，以确定由砝码与试样构成的共振部件的固有频率；通过激振器对环境箱底盖施加沿水平方向的激振载荷，使环境箱底盖以恒定加速度、递增频率发生简谐运动即沿水平方向的正弦振动，采用的是对数扫频，通过加速度传感器的反馈信号中的波峰值来确定共振部件的前三阶固有频率；步骤C：填充低压高纯气体，即闭合环境箱顶盖到环境箱底盖上，然后把左矩形压框和右矩形压框分别扣入环境箱，使得环境箱顶盖与环境箱底盖连接成一体，启动真空泵对夹套内腔进行抽真空，抽真空结束后，关闭阀门，后续再次试验时无须再次抽真空，继而，启动真空泵对筒体内腔和系统管路进行抽真空，接着连通氢气瓶，利用氢气瓶里的低压氢气对筒体内腔进行若干次置换，直至筒体内腔的氢气纯度达到试验要求，此时，筒体内填充满低压高纯氢气；步骤D：调温，即启动制冷加热机对筒体内腔气体进行调温，直到试验气体介质达到设定的试验温度；步骤E：增压，即启动增压器对筒体内的气体进行缓慢增压，直至试验气体介质达到设定的试验压力；增压及后续试验过程中，制冷加热机仍处于工作状态，以对筒体内的高压气体温度进行微调，确保试样处于设定温度下的高压高纯氢气环境中；...

【专利技术属性】
技术研发人员：周池楼，陈国华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44