氢气压力疲劳破断及氢致滞后断裂敏感性试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适应于评价材料在高压氢气压力波动下发生压力疲劳断裂敏感性以及氢致滞后断裂敏感性的试验方法及装置。装置包括管试样、管试样固定件、管路、压力容器、压力变送器、控制器、低压气源、真空泵、液体自动给排装置以及储液槽。该装置以及基于装置的方法简便、易操作、功能多，并且能模拟实际高压氢气存储容器和输送管道面临的充氢和放氢操作时的压力变化过程及规律，故具有很好的针对性和实用性。此外，该方法及装置避开采用压缩机等气体加压设备对易燃易爆的氢气进行直接压缩，从而安全性高，试验成本低。

【技术实现步骤摘要】
氢气压力疲劳破断及氢致滞后断裂敏感性试验装置及方法
本专利技术涉及一种氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置及方法。
技术介绍
氢能有望替代煤、石油等传统能源成为未来广泛使用的清洁、高效能源。氢能的使用需要安全经济氢储运、输送技术的支持，以高压氢气的形式储运和输送氢较为简单、经济且实用，是现阶段可大规模实施的氢储运与输送方式。随着氢能使用的逐步推广，未来必将有大量的高压氢气储运容器与输送管道或管线被建造。但众所周知，氢对几乎所有常用金属材料如碳钢、低合金钢、不锈钢等，都具有降低其力学性能的不利影响，氢进入金属可引起金属发生包括塑性减损、断裂抗性降低、低应力下的滞后断裂以及疲劳断裂性能降低等现象，通常统称为氢脆或氢损伤。因此，若要保证高压氢气储运容器与输送管道、管线的安全使用与长期服役，必须对所用金属材料在高压氢气中进行广泛、深入的氢脆敏感性评价试验研究，以指导未来高压氢气储运容器与输送管道、管线的设计、制造、检验与监测。具有一定设计寿命的高压氢气储运容器及输送管道、管线在服役期间将面临非常频繁的充氢和放氢操作，充氢时其内压力升高，放氢时压力降低，如此往复循环，如氢燃料电池汽车的车载储氢容器及其输氢管道、加氢站的大型储氢罐及其输氢管道等结构在服役时都将面临这一问题。由于氢可降低材料的疲劳性能，因此往复充氢放氢引起的压力波动极可能引起容器或管道发生压力疲劳断裂，导致氢气泄漏，引发事故。因此，有必要基于一定的试验技术与装置评价高压氢气储运容器与输氢管道、管线所用金属材料在这种频繁充氢、放氢操作引起的压力波动下发生压力疲劳断裂的敏感性，从而指导这些容器与管道、管线的设计、制造、检验与监测。目前，国内外对金属材料在高压氢气中的氢脆敏感性试验研究多为在高压氢气腔中进行单轴拉伸试验，试验类型单一，且仅可获得材料在高压氢气中的塑性及强度性能，而对疲劳性能的研究则不多见，对材料在高压氢气压力波动下发生压力疲劳断裂敏感性的试验评价研究则更鲜有报道。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置及方法。技术方案：一种氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，包括管试样、管试样固定件、管路、压力容器、压力变送器、控制器、低压气源、真空泵、液体自动给排装置以及储液槽；管试样固定在管试样固定件上，管路与所述管试样两端密封连接，形成气体回路；压力容器的一端、低压气源以及真空泵均连接在所述管路上；所述压力容器的另一端通过液体自动给排装置连接储液槽；压力变送器设置在所述管路上，所述压力变送器的信号输出端连接控制器，所述控制器的信号输出端连接所述液体自动给排装置。进一步的，所述管试样为光滑管试样或为带预制缺陷的管试样；所述预制缺陷为沿管试样轴向或周向的裂纹或缺口或划痕，预制缺陷的位置在管内部或外部，数量为单个或多个。进一步的，所述管试样固定件包括上夹持件、下夹持件、基座、具有内外锥密封面的密封垫片、带有外锥密封面的箭头形密封件；所述管试样两端的外壁加工有螺纹，内壁加工有内锥密封面；所述密封垫片设置在所述密封件的外锥密封面与所述管试样的内锥密封面之间；所述管试样的两端通过外壁的螺纹分别与上夹持件和下夹持件连接并压紧，使所述管试样两端内壁的内锥密封面与所述密封垫片的外锥密封面、所述密封件的内锥密封面与所述密封件的外锥密封面分别紧密贴合，形成高压密封；所述上夹持件和下夹持件分别紧固于基座上，所述管路与所述箭头形密封件密封连接。进一步的，还包括恒温装置，所述恒温装置中具有流动恒温水环境，所述管试样、管试样固定件、管路均置于所述恒温装置的流动恒温水环境中。进一步的，所述液体自动给排装置包括三通管路、排液阀、液体泵，所述压力容器的一端与三通管路的第一端口连接，所述三通管路的第二端口连接排液阀，第三端口连接液体泵的出口，所述排液阀连接所述储液槽，所述液体泵的入口连通所述储液槽；所述排液阀和液体泵的信号控制端连接所述控制器的信号输出端。进一步的，所述储液槽内容置氢难溶解液体。一种氢气压力疲劳破断敏感性试验方法，包括如下步骤：步骤1，将管试样固定在管试样固定件上，并将所述管试样两端与管路连接，将压力容器的一端、低压气源以及真空泵均连接在所述管路上，将所述压力容器的另一端通过液体自动给排装置连接储液槽，在所述管路上设置压力变送器，所述压力变送器的信号输出端连接控制器，所述控制器的信号输出端连接所述液体自动给排装置；其中，所述低压气源为氢气源，所述储液槽为氢难溶解液体；步骤2，将所述管试样、管试样固定件以及管路均置于恒温装置中，所述恒温装置中具有流动恒温水环境；步骤3，控制所述低压气源的阀门以及液体自动给排装置均处于关闭状态，然后控制所述真空泵对所述管试样、管路以及压力容器进行抽真空操作；步骤4，给所述控制器设定压力波动上限Pmax和下限Pmin以及及压力变化规律曲线；首先，控制所述液体自动给排装置将一定量的所述氢难溶解液体给入所述压力容器，然后控制低压气源向所述管路、压力容器、以及管试样的内部充满压力为P0的气体；步骤5，若通过压力变送器检测到的压力P0低于所述Pmin，则进行步骤6，否则执行步骤7；步骤6，所述控制器控制所述液体自动给排装置继续将所述氢难溶解液体给入所述压力容器，直至所述压力变送器检测到的压力值达到所述Pmin后，所述控制器根据预设的压力波动上限Pmax和下限Pmin以及压力变化规律曲线控制所述液体自动给排装置循环工作；步骤7，所述控制器控制所述液体自动给排装置继续将所述压力容器的氢难溶解液体排出，直至所述压力变送器检测到的压力值达到所述Pmin后，所述控制器根据预设的压力波动上限Pmax和下限Pmin以及压力变化规律曲线控制所述液体自动给排装置循环工作；步骤8，通过观察所述恒温装置中水的情况，当判断管试样发生疲劳破裂或断裂时，记录所经历的充放气循环次数。进一步的，还包括在所述管试样上预制缺陷的步骤；所述预制缺陷为沿管试样轴向或周向的裂纹或缺口或划痕，预制缺陷的位置在管内部或外部，数量为单个或多个。进一步的，还包括利用惰性气源替换低压气源并重复所述步骤2至步骤8的步骤，然后采用相对次数R＝nH2/nN2评价氢气压力疲劳破断敏感性，其中nH2和nN2分别为管试样在氢气源和惰性气源下断裂所经历的充放气循环次数。一种氢致滞后断裂敏感性试验方法，包括如下步骤：步骤1，将管试样固定在管试样固定件上，并将所述管试样两端与管路连接，将压力容器的一端、低压气源以及真空泵均连接在所述管路上，将所述压力容器的另一端通过液体自动给排装置连接储液槽，在所述管路上设置压力变送器，所述压力变送器的信号输出端连接控制器，所述控制器的信号输出端连接所述液体自动给排装置；其中，所述低压气源为氢气源，所述储液槽为氢难溶解液体；步骤2，将所述管试样、管试样固定件以及管路均置于恒温装置中，所述恒温装置中具有流动恒温水环境；步骤3，控制所述低压气源的阀门以及液体自动给排装置均处于关闭状态，然后控制所述真空泵对所述管试样、管路以及压力容器进行抽真空操作；步骤4，给所述控制器设定恒定压力Pm；首先，控制所述液体自动给排装置将一定量的所述氢难溶解液体给入所述压力容器，然后控制低压气源向所述管路、压力容器、以及管试样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：包括管试样(2)、管试样固定件、管路(4)、压力容器(5)、压力变送器(10)、控制器(14)、低压气源(15)、真空泵(16)、液体自动给排装置以及储液槽(17)；管试样(2)固定在管试样固定件上，管路(4)与所述管试样(2)两端密封连接，形成气体回路；压力容器(5)的一端、低压气源(15)以及真空泵(16)均连接在所述管路(4)上；所述压力容器(5)的另一端通过液体自动给排装置连接储液槽(17)；压力变送器(10)设置在所述管路(4)上，所述压力变送器(10)的信号输出端连接控制器(14)，所述控制器(14)的信号输出端连接所述液体自动给排装置。

【技术特征摘要】
1.一种氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：包括管试样(2)、管试样固定件、管路(4)、压力容器(5)、压力变送器(10)、控制器(14)、低压气源(15)、真空泵(16)、液体自动给排装置以及储液槽(17)；管试样(2)固定在管试样固定件上，管路(4)与所述管试样(2)两端密封连接，形成气体回路；压力容器(5)的一端、低压气源(15)以及真空泵(16)均连接在所述管路(4)上；所述压力容器(5)的另一端通过液体自动给排装置连接储液槽(17)；压力变送器(10)设置在所述管路(4)上，所述压力变送器(10)的信号输出端连接控制器(14)，所述控制器(14)的信号输出端连接所述液体自动给排装置。2.根据权利要求1所述的氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：所述管试样(2)为光滑管试样或为带预制缺陷的管试样；所述预制缺陷为沿管试样轴向或周向的裂纹或缺口或划痕，预制缺陷的位置在管内部或外部，数量为单个或多个。3.根据权利要求1所述的氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：所述管试样固定件包括上夹持件(1)、下夹持件(3)、基座(7)、具有内外锥密封面的密封垫片(8)、带有外锥密封面的箭头形密封件(6，9)；所述管试样(2)两端的外壁加工有螺纹，内壁加工有内锥密封面；所述密封垫片(8)设置在所述密封件(6，9)的外锥密封面与所述管试样(2)的内锥密封面之间；所述管试样(2)的两端通过外壁的螺纹分别与上夹持件(1)和下夹持件(3)连接并压紧，使所述管试样(2)两端内壁的内锥密封面与所述密封垫片(8)的外锥密封面、所述密封件(8)的内锥密封面与所述密封件(6，9)的外锥密封面分别紧密贴合，形成高压密封；所述上夹持件(1)和下夹持件(3)分别紧固于基座(7)上，所述管路(4)与所述箭头形密封件(6，9)密封连接。4.根据权利要求1所述的氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：还包括恒温装置，所述恒温装置中具有流动恒温水环境，所述管试样(2)、管试样固定件、管路(4)均置于所述恒温装置的流动恒温水环境中。5.根据权利要求1所述的氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：所述液体自动给排装置包括三通管路(11)、排液阀(12)、液体泵(13)，所述压力容器(5)的一端与三通管路(11)的第一端口连接，所述三通管路(11)的第二端口连接排液阀(12)，第三端口连接液体泵(13)的出口，所述排液阀(12)连接所述储液槽(17)，所述液体泵(13)的入口连通所述储液槽(17)；所述排液阀(12)和液体泵(13)的信号控制端连接所述控制器(14)的信号输出端。6.根据权利要求1所述的氢气压力疲劳破断以及氢致滞后断裂敏感性试验装置，其特征在于：所述储液槽(17)内容置氢难溶解液体。7.一种氢气压力疲劳破断敏感性试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将管试样(2)固定在管试样固定件上，并将所述管试样(2)两端与管路(4)连接，将压力容器(5)的一端、低压气源(15)以及真空泵(16)均连接在所述管路(4)上，将所述压力容器(5)的另一端通过液体自动给排装置连接储液槽(17)，在所述管路(4)上设置压力变送器(10)，所述压力变送器(10)的信号输出端连接控制器(14)，所述控制器(14)的信号输出端连接所述液体自动给排装置；其中，所述低压气源(15)为氢气源，所述储液槽(17)为氢难溶解液体；步骤2，将所述管试样(2)、管试样固定件以及管路(4)均置于恒温装置中，所述恒温装置中具有流动恒温水环境；步骤3，控制所述低压气源(15)的阀门以及液体自动给排装置均处于关闭状态，然后控制所述真空泵(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳飞，周志凌，沈利民，窦东阳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32