本發(fā)明屬于氫能安全工程，具體地，涉及一種材料氫相容性測試裝置以及一種材料氫相容性測試方法。

背景技術(shù)：

1、氫氣作為一種新能源，因其綠色環(huán)保，近些年備受青睞。與此同時(shí)，氫能的發(fā)展也促使氫氣的需求不斷增加。氫氣需求量的增加，促使氫氣的存儲(chǔ)和輸送量不斷增加。

2、在氫氣的存儲(chǔ)和輸運(yùn)過程中，一般采用高壓壓縮的方法。近些年，由于高壓氫系統(tǒng)的壓力不斷升高、服役環(huán)境更加嚴(yán)峻，使得高壓氫系統(tǒng)所用材料的氫脆問題變得尤為突出。

3、氫脆會(huì)使材料脆性升高，在發(fā)生失效后產(chǎn)生裂紋，容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致高壓氫系統(tǒng)在服役過程中發(fā)生突然失效，內(nèi)部存儲(chǔ)的氫氣泄漏，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4、為了保障高壓氫系統(tǒng)的服役安全，其使用的材料必須開展氫相容性試驗(yàn)研究，確保安全。

5、現(xiàn)有的金屬材料氫相容性測試裝置和方法主要有壓差式高壓氫與材料相容性的測試裝置和方法，其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。

6、在這種測試過程中主要存在以下問題：1、圓盤試樣厚度較薄，且需要保持厚度均勻，因此其對試樣的加工精度要求比較苛刻；2、圓盤試樣需要環(huán)形夾緊，在夾緊過程中，可能會(huì)發(fā)生變形或產(chǎn)生不均勻內(nèi)應(yīng)力，對后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果影響較大；3、位移測量裝置放置在測試腔內(nèi)，受高壓氫環(huán)境影響，其易發(fā)生損傷破壞導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對如上所述的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提出一種材料氫相容性測試裝置，其采用不同于圓盤試樣的柱狀試樣，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)采用圓盤試樣加工精度要求苛刻的問題，以及現(xiàn)有技術(shù)中采用圓盤試樣可能在夾緊的過程中發(fā)生變形或產(chǎn)生不均勻內(nèi)應(yīng)力的問題。

2、本發(fā)明還提出了一種材料氫相容性測試方法，該方法采用根據(jù)本發(fā)明提供的材料氫相容性測試裝置，其能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行氫相容性測試。

3、根據(jù)本發(fā)明，提供了一種材料氫相容性測試裝置，包括：

4、高壓釜；

5、滑動(dòng)式密封穿設(shè)在所述高壓釜上的拉伸桿，所述拉伸桿的兩端分別位于所述高壓釜內(nèi)外兩側(cè)；

6、夾具，柱狀的試樣兩端分別通過所述夾具與所述高壓釜和所述拉伸桿連接，所述試樣的中心軸線與所述拉伸桿的中心軸線重合。

7、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，高壓釜包括釜體和和用于將釜體密封的釜蓋。具體地，釜體設(shè)置為上端開口的筒形，釜蓋同軸密封設(shè)置在釜體的上端。釜蓋與釜體之間設(shè)置有密封墊，在釜蓋上沿圓周方向均與設(shè)置有多個(gè)螺栓孔，用于安裝緊固螺栓，多個(gè)緊固螺栓將釜蓋固定密封安裝在釜體的上端。

8、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，拉伸桿沿豎直方向滑動(dòng)式密封穿設(shè)在釜蓋上。拉伸桿的下端位于釜蓋的下方，即釜體的內(nèi)部。拉伸桿的上端位于釜蓋的上方，即釜體的外部。

9、拉伸桿與釜蓋之間通過密封件進(jìn)行密封。

10、在高壓釜內(nèi)設(shè)置有用于固定試樣的夾具，在拉伸桿的下端同樣設(shè)置有夾具，并且，兩個(gè)夾具的中心軸線重合，從而避免因?yàn)槔鞐U加載過程中出現(xiàn)與夾具和試樣不同軸的問題，而導(dǎo)致拉伸桿受到橫向載荷分量。若拉伸桿受到橫向載荷分量，一方面會(huì)使拉伸桿產(chǎn)生橫向形變，加劇拉伸桿與釜蓋之間的磨損，影響密封性能。另一方面，會(huì)對載荷和位移的測量準(zhǔn)確性造成影響，進(jìn)而降低本次材料氫相容性實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

11、在實(shí)驗(yàn)的過程中，柱狀的試樣兩端分別通過夾具與拉伸桿和高壓釜連接，試樣的中心軸線與拉伸桿的中心軸線重合。

12、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，試樣可以由被測材料制成傳統(tǒng)拉伸和疲勞測試所用的圓棒型試樣或者狗骨棒試樣。

13、針對圓棒形試樣或者狗骨棒試樣的夾頭夾具等較為成熟，加持過程中不會(huì)對中間標(biāo)距段產(chǎn)生影響，能夠避免現(xiàn)有技術(shù)中采用圓盤試樣出現(xiàn)的發(fā)生變形或產(chǎn)生不均勻內(nèi)應(yīng)力，對后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的情況。

14、此外，制作圓棒形試樣或者狗骨棒試樣所需要的加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圓盤試樣，使用圓棒形試樣或者狗骨棒試樣能夠降低試樣的制作成本。

15、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述夾具設(shè)置為能夠相對于所述拉伸桿移動(dòng)，所述夾具的移動(dòng)路徑與所述拉伸桿的中心軸線垂直且相交。

16、在這種設(shè)置下，即使在試樣通過夾具與高壓釜和拉伸桿連接時(shí)，因安裝誤差導(dǎo)致拉伸桿對試樣進(jìn)行拉伸的過程中，出現(xiàn)試樣與拉伸桿不同軸的情況，夾具能夠自動(dòng)響應(yīng)拉伸桿的拉力，對試樣的位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到拉伸桿與釜蓋的同軸度偏差最小，避免出現(xiàn)拉伸桿受到橫向載荷分量的情況，減小拉伸桿的磨損，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

17、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述夾具設(shè)置為能夠相對于所述拉伸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，所述夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與所述拉伸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行。

18、在這種設(shè)置下，夾具還能夠響應(yīng)拉伸桿的拉力，在加載的過程中消除扭矩對試樣的影響。

19、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述夾具通過校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)與所述拉伸桿或者所述高壓釜連接，所述校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)底盤，在所述旋轉(zhuǎn)底盤上設(shè)置有滑道，在所述滑道內(nèi)滑動(dòng)式設(shè)置有滑塊。

20、校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)可以設(shè)置在拉伸桿與其對應(yīng)的夾具之間，校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也可以設(shè)置在高壓釜與其對應(yīng)的夾具之間。

21、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，當(dāng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在拉伸桿與其對應(yīng)的夾具之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)底盤通過轉(zhuǎn)軸與夾具連接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，從而使旋轉(zhuǎn)底盤能夠相對于夾具轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑝K則與拉伸桿的下端固定連接。

22、或者，旋轉(zhuǎn)底盤通過轉(zhuǎn)軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)式設(shè)置在拉伸桿的下端，滑塊則與夾具固定連接。

23、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，當(dāng)當(dāng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在高壓釜與其對應(yīng)的夾具之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)底盤通過轉(zhuǎn)軸與夾具連接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，從而使旋轉(zhuǎn)底盤能夠相對于夾具轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑝K則與高壓釜的下端固定連接。

24、或者，旋轉(zhuǎn)底盤通過轉(zhuǎn)軸與高壓釜同軸轉(zhuǎn)動(dòng)式連接，滑塊則與夾具固定連接。

25、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述夾具設(shè)置為能夠相對于所述拉伸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，所述夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與所述拉伸桿的中心軸線重合。

26、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在所述拉伸桿上設(shè)置有載荷傳感器。

27、進(jìn)一步地，載荷傳感器位于拉伸桿的位于高壓釜外部的部位上。通過這種方式，將載荷傳感器設(shè)置在高壓釜之外，對加載與試樣的載荷進(jìn)行測量。一方面，能夠避免高壓釜內(nèi)的高壓氫環(huán)境對載荷傳感器的靈敏性和可靠性造成影響，防止載荷傳感器在高壓氫環(huán)境下?lián)p壞，從而提高載荷傳感器的使用壽命，以及實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。另一方面，如果載荷傳感器設(shè)置在高壓釜內(nèi)部，則還需要在高壓釜上設(shè)置用于穿設(shè)載荷傳感器導(dǎo)線的孔，會(huì)增加密封難度，降低高壓釜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而本發(fā)明的載荷傳感器設(shè)置在高壓釜的外部，避免了上述問題的出現(xiàn)。

28、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在所述拉伸桿與所述高壓釜之間連接有位移支架，在所述位移支架上設(shè)置有用于測量所述試樣拉伸形變量的位移傳感器。

29、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述位移支架包括測量段，所述測量段與所述拉伸桿的中心軸線平行，所述位移傳感器設(shè)置在所述測量段上。

30、進(jìn)一步的，位移支架還包括連接段。

31、連接段垂直于拉伸桿，連接段的一端與拉伸桿固定連接，連接段的另一端與測量段固定連接。

32、測量段的上端與連接段固定連接，測量段的下端與高壓釜固定連接。位移傳感器位于測量段的上下兩端之間。

33、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖所示，位移支架設(shè)置有多個(gè)，多個(gè)位移支架沿圓周方向均勻設(shè)置，在每個(gè)位移支架上分別設(shè)置有一個(gè)位移傳感器。多個(gè)位移支架能夠平衡拉伸桿的受力，使拉伸桿受力均勻，防止拉伸桿發(fā)生傾斜。同時(shí)，多個(gè)位移支架上安裝的位移傳感器能夠同時(shí)測量，減小測量過程中的誤差影響。

34、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，還包括拉伸機(jī)構(gòu)和移動(dòng)式設(shè)置在所述拉伸機(jī)構(gòu)上的加載橫梁，所述高壓釜和所述拉伸桿分別與所述拉伸機(jī)構(gòu)和所述加載橫梁連接。

35、具體地，如圖所示，拉伸機(jī)構(gòu)包括底板、立柱和頂板。頂板通過立柱固定設(shè)置在底板的上方。

36、高壓釜的釜體的下端固定設(shè)置在底板的上端面上。在拉伸機(jī)構(gòu)上沿豎直方向移動(dòng)式設(shè)置有加載橫梁，加載橫梁與拉伸桿固定連接。加載橫梁能夠帶動(dòng)拉伸桿向上移動(dòng)，從而為試樣施加向上的拉力。

37、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，材料氫相容性測試裝置還包括：

38、供氣機(jī)構(gòu)，所述供氣機(jī)構(gòu)與所述高壓釜連接。在高壓釜上設(shè)置有與供氣機(jī)構(gòu)連接的管線。

39、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述供氣機(jī)構(gòu)包括氫氣瓶組和氮?dú)馄拷M，所述氫氣瓶組通過第一管閥件與所述高壓釜連接，所述氮?dú)馄拷M通過第二管閥件與所述高壓釜連接。

40、氫氣瓶組可以向高壓釜內(nèi)提供氫氣，第一管閥件可實(shí)現(xiàn)氫氣瓶組內(nèi)氫氣的穩(wěn)定輸出或?qū)崿F(xiàn)截流，防止空氣、或下游管路內(nèi)高壓氣體串壓至氫氣瓶組。

41、氮?dú)馄拷M內(nèi)含高壓氮?dú)猓軌驅(qū)Ω邏焊獌?nèi)的氣體進(jìn)行吹掃。在高壓釜上設(shè)置有用于排氣的泄放管路。第二管閥件可實(shí)現(xiàn)氮?dú)馄拷M內(nèi)氮?dú)獾姆€(wěn)定輸出或?qū)崿F(xiàn)截流，防止空氣、氫氣瓶組內(nèi)高壓氫氣或下游管路內(nèi)高壓氣體串壓至氮?dú)馄拷M。

42、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在所述供氣機(jī)構(gòu)與所述高壓釜之間還依次設(shè)置有一級增壓機(jī)構(gòu)和二級增壓機(jī)構(gòu)。

43、氫氣經(jīng)由氫氣瓶組和第一管閥件進(jìn)入一級增壓機(jī)構(gòu)和二級增壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行增壓后進(jìn)入高壓釜。

44、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，還包括溫度控制模塊，所述溫度控制模塊對所述高壓釜進(jìn)行溫度控制。

45、在本實(shí)施例中，溫度控制模塊是通過油浴方式對高壓釜進(jìn)行換熱，保證高壓釜內(nèi)部環(huán)境溫度穩(wěn)定可控，進(jìn)而為拉伸試樣提供所需的環(huán)境溫度。

46、根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種材料氫相容性測試方法，使用根據(jù)本發(fā)明提供的材料氫相容性測試裝置，包括如下步驟：

47、使用氮?dú)鈱ρb有試樣的高壓釜進(jìn)行置換吹掃；

48、使用氫氣對高壓釜內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行置換，置換完成后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求提升高壓釜內(nèi)的氫氣壓力；

49、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對高壓釜的溫度進(jìn)行控制；

50、對試樣進(jìn)行拉伸，并記錄載荷大小以及位移大小，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

51、在實(shí)際測量過程中，將測試樣品放入高壓釜內(nèi)，并用夾具對其進(jìn)行固緊，測量兩個(gè)夾具之間的長度作為標(biāo)距，將載荷傳感器和位移傳感器固定連接好。對高壓釜進(jìn)行氮?dú)庵脫Q三次后，再用氫氣對高壓釜內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行置換，置換完成后，充入實(shí)驗(yàn)所需壓力的氫氣進(jìn)行保壓，開啟溫度控制模塊對高壓釜內(nèi)的氫氣環(huán)境進(jìn)行控溫，對試樣進(jìn)行拉伸，記錄載荷大小，位移大小，獲得最終的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

52、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下。

53、本發(fā)明采用柱狀的試樣，柱狀的試樣軸向兩端分別與夾具和拉伸桿固定連接，在這種設(shè)置下，一方面，柱狀的試樣加工精度要求低，便于生產(chǎn)；另一方面，柱狀的試樣不會(huì)因?yàn)閵A具或者拉伸桿的固定連接而發(fā)生形變或產(chǎn)生不均勻內(nèi)應(yīng)力，從而提供實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

54、此外，本發(fā)明的夾具移動(dòng)式設(shè)置在高壓釜內(nèi)，在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)的過程中，夾具能夠響應(yīng)拉伸桿的拉力而自動(dòng)校準(zhǔn)位置，使夾具與拉伸桿的中心軸線重合，可有效解決拉伸桿加載過程中的不同軸問題，避免拉伸桿與高壓釜滑動(dòng)連接的部位磨損。通過這種設(shè)置，一方面，能夠提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；另一方面，能夠延長拉伸桿的使用壽命。

55、本發(fā)明的位移傳感器和載荷傳感器均設(shè)置在高壓釜的外部，從而避免高壓釜內(nèi)的氫環(huán)境對位移傳感器和載荷傳感器造成影響，保障位移傳感器和載荷傳感器的靈敏性和可靠性，進(jìn)而能夠提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。