CN103323337B - 一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料性能试验技术领域，具体涉及一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置。本装置包括试验釜、试样夹持机构、测量机构和氢气压力调节系统，试验釜的釜体中设有封闭的内腔，釜体的外侧设有与氢气压力调节系统相连的两个接头；试样夹持机构用于与设置在釜体内腔中的金属材料性能试样相连，并对所述金属材料性能试样进行材料力学性能试验；氢气压力调节系统用于向釜体的内腔中充入氢气，并按照设定压力调节釜体封闭内腔中的氢气压力。本装置能够为进行高温带压氢环境中金属材料性能试验而提供稳定的温度、压力、氢气介质的试验环境条件，从而为获取金属材料在高温、带压氢气环境中的性能创造了良好的条件。

Description

一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置

技术领域

本发明属于材料性能试验技术领域，具体涉及一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置。

背景技术

随着先进的化工、石化、煤化工等工艺技术的使用，许多金属材料制造的设备工作在高温、带压氢气介质环境中，从而致使金属材料性能劣化，严重影响了设备的安全运行。为了使金属设备在高温、带压氢气介质环境中能够长期安全稳定的运行，就必须获取金属材料在高温、带压氢气环境中的性能，但由于氢气具有易爆、易泄漏的特性，现有材料试验机无法进行高温带压氢环境中的金属材料性能试验。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，本装置能够为进行高温带压氢环境中材料性能试验而提供稳定的温度、压力、氢气介质的试验环境条件，也即本装置可进行金属材料在高温带压氢环境中的拉伸、蠕变（持久）和疲劳试验，从而为获取金属材料在高温、带压氢气环境中的性能创造了良好的条件。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，其包括如下组成部分：

试验釜，所述试验釜的釜体中设有封闭的内腔，所述釜体的外侧设有与氢气压力调节系统相连的两个接头，两个接头分设在试验釜的两侧，且两个接头均与釜体的内腔相连通；

试样夹持机构，用于与设置在釜体内腔中的金属材料性能试样相连，并对所述金属材料性能试样进行材料力学性能试验；所述试样夹持机构与所述釜体之间设有密封机构；

测量机构，用于测量并记录金属材料性能试样在试验过程中的温度、载荷和位移参数，并测量和记录釜体在试验过程中的温度参数；

氢气压力调节系统，用于向釜体的内腔中充入氢气，并按照设定压力调节釜体封闭内腔中的氢气压力。

本装置还可以通过以下技术措施得以进一步实现：

所述金属材料性能试样在进行材料力学性能试验时，釜体内腔的氢气压力≤1.0MPa，温度≤550℃。

优选的，所述试验釜为圆柱形筒；所述试样夹持机构为两个圆柱状的拉杆，两个拉杆分别从试验釜的两端沿试验釜的轴向插入釜体中，且两个拉杆的伸入在釜体内腔的端部分别与所述杆状金属材料性能试样的两端固定联接，所述拉杆的位于釜体外侧的一端与试验机相连；所述密封机构为便于拉杆沿釜体轴向滑动的滑动密封组件。

优选的，所述滑动密封组件包括自釜体内侧向釜体外侧依次套设在所述拉杆上的填料支撑环、填料、填料压环和填料压盖，所述填料支撑环压靠在釜体内的凸台上，所述填料压盖与所述釜体固定联接。

优选的，所述试验釜的釜体材质为耐热不锈钢或高温镍基合金。

优选的，所述测量机构包括设置在所述金属材料性能试样上的第一温度传感器和设置在所述釜体外壁上的第二温度传感器，还包括设置在金属材料性能试样上的应变传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器和应变传感器均与中央处理器通过电信号相连。

优选的，所述氢气压力调节系统包括氢气储罐，所述氢气储罐上设置有第一压力检测装置，所述氢气储罐的进气端设有进气阀门，所述氢气储罐的出气端通过供气管路与釜体上的一个接头相连，所述供气管路上依次设置有第一阀门和第二阀门，所述第一阀门和第二阀门之间的供气管路上还设置有温度检测装置和第二压力检测装置；所述釜体上的另一个接头处设置有排气阀门。

优选的，所述釜体的与排气阀门相连的接头还与连接管路相连，所述连接管路的远离釜体的一端通过三通管件分别与氢气储罐的进气端和所述进气阀门相连；所述连接管路上设置有第三阀门。

优选的，所述第一压力检测装置为第一压力表，第二压力检测装置为第二压力表，温度检测装置为温度表。

本发明中的材料力学性能试验包括但不限于拉伸、蠕变、疲劳性能试验。

本发明的有益效果在于：

1）、本发明中的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置由试验釜、试样夹持机构、测量机构、氢气压力调节系统构成，由氢气压力调节系统向试验釜的釜体中充入氢气并调节氢气压力至设定压力，从而在试验釜的釜体内腔中形成带压氢环境；试样夹持机构则将金属材料性能试样夹持固定在试验釜的釜体内腔中，并通过试验机对金属材料性能试样在高温带压氢环境中进行拉伸、蠕变（持久）和疲劳试验；测量机构则用来测量和记录金属材料性能试样在试验中的温度、载荷和位移参数。

2）、本发明中的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置在试验釜的釜体内腔中为试验形成所需要的温度、压力和氢气介质环境，从而为获取金属材料在高温、带压氢气环境中的性能创造了良好的条件，使用本装置能够测量得到的金属材料在高温、带压氢气环境中的各项性能值，从而为金属设备在高温、带压氢气介质环境中的稳定安全的运行提供了宝贵的技术数据。

附图说明

图1是本发明中用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置的结构示意图。

图2是本发明中试验釜的结构示意图。

图中标记的含义如下：

1-1—填料压环    1-2—填料    1-3—填料支撑环    1-4—釜体

1-5—金属材料性能试样    1-6—拉杆    1-7—旋塞

1-8—填料压盖    1-9—接头    2-1—试验釜    2-2—供气管路

2-3—第一阀门    2-4—温度表    2-5—第二压力表

2-6—第二阀门    2-7—第一压力表    2-8——氢气储罐

2-9—进气阀门    2-10—第三阀门    2-11—排气阀门

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置及其使用方法做详细说明。

用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置

如图2所示，试验釜2-1的釜体1-4为圆柱形筒；试样夹持机构的两个拉杆1-6分别从釜体1-4轴向的两端伸入釜体内腔，且两个拉杆1-6的位于釜体内腔中的端部分别与金属材料性能试样1-5的两端固定联接；釜体1-4的两端开口处由外向内依次由填料压盖1-8、填料压环1-1、填料1-2和填料支撑环1-3组成对拉杆1-6进行轴向滑动密封的滑动密封组件，以防止釜体内腔中的氢气泄漏；两个接头1-9将试验釜连接在氢气压力调节系统中。

如图1所示，所述氢气压力调节系统包括氢气储罐2-8，所述氢气储罐2-8上设置有第一压力表2-7，所述氢气储罐2-8的进气端设有进气阀门2-9，所述氢气储罐2-8的出气端通过供气管路与釜体1-4上的一个接头1-9相连，所述供气管路上依次设置有第一阀门2-3和第二阀门2-6，所述第一阀门2-3与试验釜2-1相邻，第二阀门2-6与氢气储罐2-8相邻，所述第一阀门2-3和第二阀门2-6之间的供气管路上自试验釜2-1至氢气储罐2-8一侧还依次设置有温度表2-4和第二压力表2-5；所述釜体1-4上的另一个接头1-9处设置有排气阀门2-11；所述釜体1-4的与排气阀门2-11相连的接头1-9还与连接管路相连，所述连接管路的远离釜体1-4的一端通过三通管件分别与氢气储罐2-8的进气端和所述进气阀门2-9相连；所述连接管路上设置有第三阀门2-10。

用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置的使用方法

1、试验釜2-1的使用方法，含两个部分：

（1）金属材料性能试样1-5的安装；

①将金属材料性能试样1-5旋入位于位于釜体1-4下部的拉杆1-6的螺纹孔中；

②将釜体1-4套入下部拉杆1-6的杆身上；

③在釜体1-4和下部拉杆1-6杆身之间的环状空隙处、自釜体1-4的内侧至釜体1-4的外侧依次装填填料支撑环1-3、填料1-2、填料压环1-1和填料压盖1-8，所述填料压盖1-8与釜体1-4固定联接，所述填料支撑环1-3、填料1-2、填料压环1-1和填料压盖1-8共同组成所述滑动密封组件即密封机构；

④将试样夹持机构的另一个拉杆1-6即上部拉杆从所述釜体1-4的上端开口处插入釜体1-4的内腔中，并将金属材料性能试样1-5旋入所述上部拉杆的螺纹孔中；

⑤在釜体1-4和上部拉杆杆身之间的环状空隙处、自釜体1-4的内侧至釜体1-4的外侧依次装填填料支撑环1-3、填料1-2、填料压环1-1和填料压盖1-8，所述填料压盖1-8与釜体1-4固定联接；

⑥通过位于釜体1-4上部和下部的两个接头1-9，将试验釜2-1与氢气压力调节系统连接。

（2）试验过程中金属材料性能试样1-5的温度、载荷和位移参数的测量和标定。

①温度测量

在釜体1-4的外壁设置第二温度传感器以测量釜体外壁温度，经下列步骤获得金属材料性能试样1-5温度：

——进行温度标定试验：将带有第一温度传感器的金属材料性能试样1-5安装于釜体1-4中，经未装旋塞1-7的孔引出导线，在不充氢气情况下，加热金属材料性能试样1-5，记录不同温度下金属材料性能试样1-5和釜体1-4所设置的第一温度传感器和第二温度传感器的温度测量值，获得不同温度下两者间的温度差值ΔT，所述温度差值ΔT为第一温度传感器的测量值减去第二温度传感器的测量值；

——试验过程中测量获得釜体1-4外壁温度Tc；

——金属材料性能试样1-5试验温度Ts按下式计算：Ts=Tc+ΔT。

②载荷测量

通过穿过釜体1-4的拉杆1-6测量载荷，经下列步骤获得金属材料性能试样1-5承受的载荷：

——进行载荷标定试验：将带高温应变传感器的金属材料性能试样1-5安装于釜体1-4中，经未装旋塞1-7的孔引出导线，在不充氢气情况下，分级升温并在不同温度下分级为金属材料性能试样1-5加载，记录各级温度、不同载荷下的金属材料性能试样1-5应变ε和试验机的载核Ft，按下式计算金属材料性能试样1-5标定试验时的载荷F：

F=EεS

式中：

E——金属材料性能试样1-5在对应温度下的杨氏弹性模量，MPa；

ε——金属材料性能试样1-5上高温应变传感器测得的应变，με；

S——金属材料性能试样标距段的横截面积，mm²。

获得各级温度、不同载荷下试验机的载核Ft，进而获得金属材料性能试样（1-5）标定试验时的载荷F减去试验机的载核Ft而得到的差值ΔF；

——试验过程中测量获得试验机的载核Ft；

——金属材料性能试样1-5试验载荷Fs按下式计算：Fs=Ft+ΔF。

2、氢气压力调节系统的使用方法，含三个部分：

（1）使用氢气压力调节系统置换试验釜2-1中的气体介质；

①安装金属材料性能试样1-5后封闭试验釜2-1；

②开启第一阀门2-3、第二阀门2-6、第三阀门2-10和排气阀门2-11，打开温度表2-4接头，第二压力表2-5接头和第一压力表2-7接头；

③关闭进气阀门2-9，将进气阀门2-9与惰性气体气瓶（内充氩气或氮气）连接；

④开启进气阀门2-9，向氢气压力调节系统放入惰性气体（即氩气或氮气）以进行介质置换；

⑤经不少于5分钟的介质置换后，依次拧紧第一压力表2-7、第二压力表2-5和温度表2-4；

⑥再经不少于1分钟的介质置换后，关闭第三阀门2-10；

⑦再行介质置换不少于1分钟后，关闭排气阀门2-11。

（2）使用氢气压力调节系统向试验釜2-1中充入氢气；

①按前一部分完成试验釜2-1中的介质置换后，关闭第二阀门2-6、第三阀门2-10和排气阀门2-11；

②关闭进气阀门2-9，将进气阀门2-9与氢气瓶连接；

③开启进气阀门2-9，向氢气储罐2-8内充入氢气至所需压力即设定压力后，关闭进气阀门2-9；

④依次开启第二阀门2-6、第一阀门2-3，向试验釜2-1中充入氢气至所需压力即设定压力后，依次关闭第二阀门2-6、第一阀门2-3。

（3）使用氢气压力调节系统调节试验釜2-1中的氢气压力；

①检查并确认此时氢气压力调节系统中的第一阀门2-3、第二阀门2-6、进气阀门2-9、第三阀门2-10和排气阀门2-11均处于关闭状态；

②开启与试验釜2-1相邻的第一阀门2-3；

③查看第二压力表2-5；

④若试验釜2-1中的氢气压力高于所需压力时，则开启排气阀门2-11放出氢气直至试验釜2-1中的氢气压力等于所需压力后，关闭排气阀门2-11；若试验釜2-1中的氢气压力低于所需压力时，同时第一压力表2-7的压力值大于第二压力表2-5的压力值，则开启第二阀门2-6向试验釜2-1中放入氢气直至试验釜2-1中的氢气压力等于所需压力后，关闭第二阀门2-6；

若氢气储罐2-8中的氢气压力低于设定压力时，需要使氢气储罐2-8再次与氢气瓶连接以向氢气储罐2-8中充入氢气；

⑤关闭第一阀门2-3。

Claims (5)

1.一种用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，其特征在于包括如下组成部分： 

试验釜（2-1），所述试验釜（2-1）的釜体（1-4）中设有封闭的内腔，所述釜体（1-4）的外侧设有与氢气压力调节系统相连的两个接头（1-9），两个接头（1-9）分设在试验釜（2-1）的两侧，且两个接头（1-9）均与釜体（1-4）的内腔相连通； 

试样夹持机构，用于与设置在釜体（1-4）内腔中的金属材料性能试样（1-5）相连，并对所述金属材料性能试样（1-5）进行材料力学性能试验；所述试样夹持机构与所述釜体（1-4）之间设有密封机构； 

测量机构，用于测量并记录金属材料性能试样（1-5）在试验过程中的温度、载荷和位移参数，并测量和记录釜体（1-4）在试验过程中的温度参数； 

氢气压力调节系统，用于向釜体（1-4）的内腔中充入氢气，并按照设定压力调节釜体（1-4）封闭内腔中的氢气压力； 

所述金属材料性能试样（1-5）在进行材料力学性能试验时，釜体（1-4）内腔的氢气压力≤1.0MPa，温度≤550℃； 

所述试验釜（2-1）为圆柱形筒；所述试样夹持机构为两个圆柱状的拉杆（1-6），两个拉杆（1-6）分别从试验釜（2-1）的两端沿试验釜（2-1）的轴向插入釜体（1-4）中，且两个拉杆（1-6）的伸入在釜体（1-4）内腔的端部分别与所述杆状金属材料性能试样（1-5）的两端固定联接，所述拉杆（1-6）的位于釜体（1-4）外侧的一端与试验机相连；所述密封机构为便于拉杆（1-6）沿釜体（1-4）轴向滑动的滑动密封组件； 

所述滑动密封组件包括自釜体（1-4）内侧向釜体（1-4）外侧依次套设在所述拉杆（1-6）上的填料支撑环（1-3）、填料（1-2）、填料压环（1-1）和填料压盖（1-8），所述填料支撑环（1-3）压靠在釜体（1-4）内的凸台上，所述填料压盖（1-8）与所述釜体（1-4）固定联接；

所述测量机构包括设置在所述金属材料性能试样（1-5）上的第一温度 传感器和设置在所述釜体（1-4）外壁上的第二温度传感器，还包括设置在金属材料性能试样（1-5）上的应变传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器和应变传感器均与中央处理器通过电信号相连； 

所述第一温度传感器和应变传感器的导线通过设置在釜体（1-4）上的孔伸出并与中央处理器相连，所述釜体（1-4）上的孔处设有密封用的旋塞（1-7）。 

2.根据权利要求1所述的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，其特征在于：所述试验釜（2-1）的釜体（1-4）材质为耐热不锈钢或高温镍基合金。 

3.根据权利要求1所述的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，其特征在于：所述氢气压力调节系统包括氢气储罐（2-8），所述氢气储罐（2-8）上设置有第一压力检测装置，所述氢气储罐（2-8）的进气端设有进气阀门（2-9），所述氢气储罐（2-8）的出气端通过供气管路与釜体（1-4）上的一个接头（1-9）相连，所述供气管路上依次设置有第一阀门（2-3）和第二阀门（2-6），所述第一阀门（2-3）和第二阀门（2-6）之间的供气管路上还设置有温度检测装置和第二压力检测装置；所述釜体（1-4）上的另一个接头（1-9）处设置有排气阀门（2-11）。 

4.根据权利要求3所述的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，其特征在于：所述釜体（1-4）的与排气阀门（2-11）相连的接头（1-9）还与连接管路相连，所述连接管路的远离釜体（1-4）的一端通过三通管件分别与氢气储罐（2-8）的进气端和所述进气阀门（2-9）相连；所述连接管路上设置有第三阀门（2-10）。 

5.根据权利要求3所述的用于高温带压氢环境中材料性能试验的装置，其特征在于：所述第一压力检测装置为第一压力表（2-7），第二压力检测装置为第二压力表（2-5），温度检测装置为温度表（2-4）。