CN104215513A - 高压氢脆结构试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压氢脆结构试验装置及试验方法。本试验装置包括压缩空气系统、氢气管路系统以及数据采集与控制系统，本发明以压缩空气作为驱动气源驱动气体增压器，氢气被气体增压器加压后通过管路分别输送至试验容器或夹持装置，达到预定的试验压力后进行耐压试验，或者不断升压直至试样爆破实现爆破试验并测定其爆破压力。本发明既可以通过圆盘试验完成对金属材料的抗氢脆性能试验，也可以通过实物或模拟容器完成高压临氢环境下结构件的氢脆损伤试验；本发明可实现最高压力为80MPa的高压临氢试验环境，并且能够实现试验压力、保压时间等试验关键参数调节与控制单元操作，特别是升压速率的大范围调整与稳定控制，能够完全满足氢脆相关试验的要求。

Description

高压氢脆结构试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及结构强度与材料性能试验装置，更具体说是高压临氢特种设备压力容器和压力管道最高试验压力达80MPa的氢环境下结构件氢脆试验成套装置及试验方法。

背景技术

高压临氢设备在高压氢环境下长期使用，在应力与高压氢气的联合作用下将会出现金属材料性能劣化如塑性、韧性下降等环境氢脆现象，导致设备整体结构件服役性能下降，是高压临氢结构件的主要失效模式之一。因此开展高压临氢环境下结构件的氢脆研究具有重要意义。

在氢脆试验研究中，目前主要采用两种方式：

其一，在材料力学试验机上加装高压氢环境箱，仍然采用常规材料力学试样(如疲劳试样或断裂力学试样)及试验方法，检测金属材料在氢气及应力协同作用下，材料遭受氢致损伤的程度(或金属材料力学性能退化的程度)；此方法也是目前采用较多的氢脆试验方法，但是在已有的研究中，大部分试验环境氢气压力在15MPa以下，压力仍然较低，未能达到氢脆产生条件。

其二，进行结构件或模拟结构件的氢脆试验方法。研究表明，影响氢脆的相关因素包括：化学和热处理结合导致的微观结构、材料的力学性能、结构强度、导致局部应力集中的内部表面缺陷及气体特征(成分，质量，压力等)。可见一个结构或构件的整体结构强度安全不仅仅取决于组成这个结构或构件的材料抗氢脆性能，还与其自身结构、尺寸、制造及服役情况等有着密不可分的关系。目前这种针对在氢环境工况下结构的承载能力和实际工作状况方面的试验研究较少，基本上未见报道。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，研制出的最高试验压力达80MPa的高压氢脆结构试验装置及试验方法，可以完全模拟高压临氢环境的实际工况，为开展高压临氢压力容器及压力管道的氢脆损伤研究提供试验手段的保证。

为实现上述发明目的，本发明中的高压氢脆结构试验装置包括如下组成部分：

氢气管路系统，包括依次串接的氢气低压供气管路和氢气高压试验管路两部分，所述氢气高压试验管路中设有彼此并联的圆盘压力试验管段和容器耐压试验管段，氢气高压试验管路中还设有与圆盘压力试验管段和容器耐压试验管段相串接的卸压管段；

压缩空气系统，包括压缩空气管路和气体增压器，所述压缩空气管路的出口与气体增压器的低压驱动端相联接，所述气体增压器的高压端上分别设有氢气进口和氢气出口，所述高压端上的氢气进口与所述氢气低压供气管路相联接，所述高压端上的氢气出口与所述氢气高压试验管路相联接；

数据采集与控制系统，用于控制氢气试验压力和升压速率，采集并记录试验数据。

所述氢气低压供气管路自氢气接口端至气体增压器高压端上的氢气进口之间依次串接有氢气过滤器、低压氢气压力表、输入截止阀和进口单向阀；所述氢气高压试验管路自气体增压器高压端上的氢气出口至圆盘压力试验管段或容器耐压试验管段之间依次串接有出口单向阀和高压氢气压力表；所述圆盘压力试验管段包括依次串接的第一高压阀、试样夹持装置和第二高压阀；所述容器耐压试验管段包括依次串接的第三高压阀、试验容器和第四高压阀；所述卸压管段包括依次串接的记忆压力表、压力传感器、卸压阀和真空泵，所述真空泵设置在远离圆盘压力试验管段和容器耐压试验管段的一侧。

所述压缩空气管路自压缩空气接口端至气体增压器的低压驱动端之间依次串接有空气过滤器、调压阀、空气压力表、驱动开关阀、电磁阀和节流阀。

所述数据采集与控制系统包括通过信号线彼此相连的计算机和控制柜，所述控制柜还通过信号线与所述压力传感器和电磁阀的控制端相连。

所述气体增压器为活塞式增压器。

本发明中的试验方法包括如下步骤：

1)、开始试验前，完成如下准备工作

将空气压缩机通过管道与所述压缩空气管路的压缩空气接口端相连接；

将氢气气瓶通过管道与所述氢气低压供气管路的氢气接口端相连接；

检查并确认驱动开关阀、输入截止阀、卸压阀均处于关闭状态；

逆时针旋转调压阀直至调压阀输出压力为零；

2)、当进行圆盘压力试验时，将圆盘试样安装到氢气高压试验管路中的试样夹持装置的对应接口上，检查并确认第一高压阀和第二高压阀处于打开状态，第三高压阀和第四高压阀处于关闭状态；

当进行容器耐压试验时，将试验容器安装在第三高压阀和第四高压阀之间，检查并确认第三高压阀和第四高压阀处于打开状态，第一高压阀和第二高压阀处于关闭状态；

3)、缓慢打开氢气气瓶的出口阀及输入截止阀，氢气通过氢气低压供气管路和氢气高压试验管路充入试样夹持装置或试验容器；当氢气气瓶的出口压力与氢气高压试验管路中的压力趋于平衡时，启动空气压缩机，开启驱动开关阀，顺时针旋转调压阀，直到气动增压器开始启动，并使所述气动增压器动作时的运行频率为40次/分钟；随着出口单向阀输出压力的上升，气动增压器的运行频率将随着降低；继续顺时针旋转调压阀的手柄升高驱动气压，使氢气高压试验管路中的氢气压力继续恒速上升，在此过程中，通过调压阀、电磁阀及节流阀控制与调节氢气进气压力和流量，以实现对升压速率的控制与调节或使氢气压力达到设定试验压力；

当进行圆盘压力试验时，使氢气压力继续恒速上升直到圆盘试样发生破裂，通过记忆压力表及压力传感器记录圆盘试样的破裂压力，破裂压力数据通过信号线上传至计算机；同时停止空气压缩机，关闭驱动开关阀、输入截止阀，打开卸压阀对系统卸压，试验结束；

当进行容器耐压试验时，则在氢气压力达到设定试验压力时停止空气压缩机，关闭驱动开关阀，系统进入保压状态；保压完毕后，关闭输入截止阀，缓慢打开卸压阀对系统卸压，试验结束。

在每次试验前后，启动真空泵对整个试验装置行抽气净化，以清除空气或瓶壁吸收的水分的痕迹。

本发明中，所述气体增压器为活塞式增压器，包括驱动组件、增压活塞及压缩空气驱动腔、气体压缩腔，压缩空气驱动腔和气体压缩腔相互分离；通过与压缩空气驱动腔装配一体的二位四通换向阀驱动增压活塞来回行程，再通过活塞连接杆使增压活塞来回动作，实现被压缩气体即氢气的增压。

本发明中，所述试样夹持装置专门用于圆盘试验，圆盘试样承受恒速上升的气压直至爆破或裂开，测定其破裂压力及氢脆指数。试样夹持装置为上下法兰对夹结构，圆盘试样置于中间，采用O形圈与下法兰密封，与下法兰之间圆锥形空腔容积约为5cm³，圆盘试样上方安装高强度钢环(Rm≥1100MPa)。最上方为上法兰，上下法兰装配采用10个M10高强度钢螺栓紧固。下法兰底部通过接头与氢气高压系统连接，上法兰中间设置圆盘爆破后氢气排放孔。

本发明中，所述试验容器为统称，具体结构根据试验要求确定，可以为实物容器、模拟容器或其它任意形状的管状试样，通过两侧接头与氢气高压试验管路连接。

本发明中，所述控制柜中还包括上位控制软件、上位数据采集软件、数据采集卡、通讯卡及通讯线等组成部分。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1)、本发明通过设置成套压缩空气系统、氢气管路系统及数据采集与控制系统，可实现最高压力为80MPa的高压临氢试验环境。

2)、本发明功能完善，具备多种试验功能，既可通过试样夹持装置完成圆盘试样破裂试验，测定圆盘试样的破裂压力及氢脆指数，完成对金属材料的抗氢脆性能试验；也可以通过实物或模拟容器完成高压临氢环境下结构件的氢脆损伤试验。

3)、本发明结构简单、工作可靠，可实现试验压力、保压时间等试验关键参数调节与控制单元操作。氢脆试验要求在试验过程中，压力升高率即升压速率保持恒定，而且圆盘压力试验还要求压力升高率在0.1bar/min与1000bar/min的大跨度范围之间精确可调，因此氢脆试验的要求较为严格和苛刻，试验难度较大。本发明中的试验装置通过调压阀、电磁阀、节流阀以及计算机来实现升压速率的大范围调整与稳定控制，能够完全满足氢脆相关试验的要求，为高压临氢压力容器和压力管道的氢脆损伤试验研究提供保证。

4)、本发明中的数据采集与控制系统具备有两个功能，其一，试验数据的采集记录和曲线显示，包括时间、压力、压力-时间曲线等，当试验结束后通过对采集数据的处理，能够还原升压速率及爆破点峰值压力等关键参数，具有高度的灵活性和可靠性；其二，系统通过调压阀、电磁阀及节流阀的彼此配合来控制与调节进气压力和流量，并通过控制柜中的上位控制软件设定系统保护压力、升压间隔压力和升压间隔时间，实现氢气试验压力及升压速率的控制与调节，并确保整个系统运行的安全性、可靠性和稳定性。

5)、本发明中的真空泵在每次试验前后对整个试验装置氢气系统进行抽气净化，可以有效清除空气或瓶壁吸收的水分的痕迹，从而减少氧气或水蒸气的残留，提高试验装置的清洁率，极大地减少了杂质对试验的影响。

附图说明

图1为本发明中试验装置的结构示意图。

图2为本发明手动/自动操作逻辑框图。

图中标注符号的含义如下：

1—氢气过滤器   2—低压氢气压力表   3—输入截止阀

4-1—进口单向阀   4-2—出口单向阀   5—高压氢气压力表

6—第一高压阀   7—试样夹持装置   8—圆盘试样   9—第二高压阀

10—记忆压力表   11—压力传感器   12—卸压阀   13—真空泵

14—第三高压阀   15—试验容器   16—第四高压阀

17—空气过滤器   18—调压阀   19—空气压力表

20—驱动开关阀   21—电磁阀   22—节流阀   23—气动增压器

24—计算机   25—控制柜

Ⅰ—氢气低压供气管路   Ⅱ—氢气高压试验管路

Ⅲ—压缩空气管路

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的系统设置包括：压缩空气系统、氢气管路系统及数据采集与控制系统，可实现最高压力为80MPa的高压临氢试验环境。本发明的主要工作原理是以压缩空气作为驱动气源驱动气体增压器，试验介质氢气(H₂)作为被增压气体通过气体增压器加压，然后通过管路分别输送至试验容器或试样夹持装置，达到预定的试验压力(最高为80MPa)后进行耐压试验，或者不断升压直至试样爆破实现爆破试验并测定其爆破压力。

压缩空气系统：压缩空气作为驱动气源，通过依序串联设置在压缩空气管路Ⅲ中的空气过滤器17、调压阀18、空气压力表19、驱动开关阀20、电磁阀21及节流阀22，进入气体增压器23的低压驱动端。

氢气管路系统：包括低压部分(即氢气低压供气管路Ⅰ)和高压部分(即氢气高压试验管路Ⅱ)。在低压部分，氢气作为试验介质，通过在氢气低压供气管路Ⅰ依序串联设置氢气过滤器1、氢气压力表2、输入截止阀3及进口单向阀4-1，进入气体增压器23高压端的氢气进口；高压部分，氢气增压后由氢气高压试验管路Ⅱ依序串联设置出口单向阀4-2、高压压力表5，然后根据不同试验需要分别设置第一高压阀6、试样夹持装置7和第二高压阀9，或通过第三高压阀14、试验容器15和第四高压阀16；最后依序串联设置记忆压力表10、压力传感器11、卸压阀12和真空泵13。

数据采集与控制系统：包括计算机24和控制柜25，控制柜25通过信号线与所述压力传感器11和电磁阀21的控制端相连。

本实施例中氢脆试验装置的试验方法是按如下步骤进行：

系统工作前，将空气压缩机、氢气气瓶分别与试验装置的压缩空气接口端、氢气接口端通过管道连接，将圆盘试样8安装到氢气高压试验管路Ⅱ的对应接口上，确认无误后，检查并确认驱动开关阀20、输入截止阀3、卸压阀12处于关闭状态。

逆时针旋转调压阀18直至调压阀18的输出压力为零。

缓慢打开氢气气瓶出口阀及输入截至阀3，氢气通过氢气低压供气管路Ⅰ和氢气高压试验管路Ⅱ充入试样夹持装置7或试验容器15(在进行圆盘压力试验时，打开第一高压阀6和第二高压阀9，关闭第三高压阀14和第四高压阀16；如进行容器耐压试验即试验对象为各类试验容器时，则关闭第一高压阀6及第二高压阀9，打开第三高压阀14和第四高压阀16，两种试验不同时进行)；当氢气气瓶的出口压力与氢气高压试验管路Ⅱ中的压力趋于平衡时，启动空气压缩机，开启驱动开关阀20，顺时针旋转调压阀18，直到气体增压器23开始启动(此时注意运行频率应控制在40次/分钟)；随着出口单向阀4-2的输出压力的上升，气体增压器运行频率将随着降低，继续顺时针旋转调压阀手柄升高驱动气压，通过控制和调节电磁阀21、节流阀22使气体增压器23的运行频率保持不变，确保氢气压力继续恒速上升。

如进行圆盘压力试验，氢气压力继续恒速上升直到圆盘试样8发生破裂，通过记忆压力表10及压力传感器11记录破裂压力，试验数据并通过控制柜25上传至计算机24。同时关闭驱动开关阀20、输入截止阀3，打开卸压阀12，系统停机。通过比较氢破裂压力P_H2和氦破裂压力P_He证明氢气的脆化作用(氦作为参照气体)。

如试验对象为试验容器，则在达到设定压力时关闭驱动开关阀20，系统进入保压状态。保压完毕后，关闭输入截止阀3，缓慢打开卸压阀12对系统卸压，试验结束。

在每次试验前后通过真空泵13对整个试验装置的氢气进行抽气净化，以清除空气或瓶壁吸收的水分的痕迹，提高清洁率减少杂质对试验的影响。

数据采集与控制系统具备有两个功能，其一，试验数据的采集记录和曲线显示，包括时间、压力、压力-时间曲线等；其二，通过气体增压器23低压驱动端前的调压阀18、电磁阀21及节流阀22控制与调节进气压力和流量，最终实现氢气试验压力及升压速率的控制与调节。

在升压的过程中，压力传感器11即nextkit nano便携式信号采集设备对压力数据的电压信号进行高速采集，在进行处理后通过USB连接线发送到计算机24，计算机24采集处理部分由专门开发软件设计制作，USB的快速传输保证压力信号快速准确地反映到软件曲线界面中。当试验结束后通过对采集数据的处理，来还原升压速率及爆破点峰值压力等关键参数，具有高度的灵活性和可靠性。通过nextkit nano便携式信号采集设备同步把压力信号生成一个1～5V电压信号，供西门子PLC采集并进行相关控制。控制柜25中的上位控制软件采用世纪星组态软件制作，通过串口和控制柜25中的西门子PLC通讯。主要功能包括设定系统保护压力、设定升压间隔压力和升压间隔时间、保护整个试验装置等。

数据采集与控制系统设置了选择手动/自动操作模式，每种模式都可以进行数据记录，并调用数据进行升压曲线还原，找出爆破压力峰值点。手动模式主要应用在升压过程随意性大、无固定规律的情况下；自动模式主要应用在提前设定升压模式及速率的情况下。

1.手动操作

A：把记忆压力表10的指针复位，确保可以进行爆破压力记忆。

B：打开上位机控制软件，进行系统保护压力设定，单位为MPa，如果试件在达到设定压力时还没有爆破，则系统停机保护，并进行相关提示。

C：打开上位机数据记录软件，输入本次数据记录文件名，并点击开始，进行数据记录。

D：在监控柜面板上进行增压泵的启动和停止操作。

E：试验结束后按下停止按钮。

F：打开数据记录文件，还原曲线找出爆破压力并和记忆压力表进行比对。

G：必要时可手动开启真空泵13进行排空。

2.自动操作

A：把记忆压力表10的指针复位，确保可以进行爆破压力记忆。

B：打开上位机控制软件，进行系统保护压力设定，单位为MPa，如果试件在达到设定压力时还没有爆破，则系统停机保护，并进行相关提示；进行升压间隔压力和升压间隔时间进行设定，单位分别为MPa和ms，以便能达到预期的升压速率。

C：打开上位机数据记录软件，输入本次数据记录文件名，并点击开始，进行数据记录。

D：在上位机控制软件上点击试验开始，则试验按照设定的参数自动进行，到达保护压力或者完成爆破的基础上会自行停机，并进行相关提示。

F：打开数据记录文件，还原曲线找出爆破压力并和记忆压力表进行比对。

G：必要时可手动开启真空泵13进行排空。

Claims (7)

1.一种高压氢脆结构试验装置，其特征在于包括如下组成部分：

氢气管路系统，包括依次串接的氢气低压供气管路(Ⅰ)和氢气高压试验管路(Ⅱ)两部分，所述氢气高压试验管路(Ⅱ)中设有彼此并联的圆盘压力试验管段和容器耐压试验管段，氢气高压试验管路(Ⅱ)中还设有与圆盘压力试验管段和容器耐压试验管段相串接的卸压管段；

压缩空气系统，包括压缩空气管路(Ⅲ)和气体增压器(23)，所述压缩空气管路(Ⅲ)的出口与气体增压器(23)的低压驱动端相联接，所述气体增压器(23)的高压端上分别设有氢气进口和氢气出口，所述高压端上的氢气进口与所述氢气低压供气管路(Ⅰ)相联接，所述高压端上的氢气出口与所述氢气高压试验管路(Ⅱ)相联接；

数据采集与控制系统，用于控制氢气试验压力和升压速率，采集并记录试验数据。

2.如权利要求1所述的高压氢脆结构试验装置，其特征在于：

所述氢气低压供气管路(Ⅰ)自氢气接口端至气体增压器高压端上的氢气进口之间依次串接有氢气过滤器(1)、低压氢气压力表(2)、输入截止阀(3)和进口单向阀(4-1)；

所述氢气高压试验管路(Ⅱ)自气体增压器高压端上的氢气出口至圆盘压力试验管段或容器耐压试验管段之间依次串接有出口单向阀(4-2)和高压氢气压力表(5)；所述圆盘压力试验管段包括依次串接的第一高压阀(6)、试样夹持装置(7)和第二高压阀(9)；所述容器耐压试验管段包括依次串接的第三高压阀(14)、试验容器(15)和第四高压阀(16)；所述卸压管段包括依次串接的记忆压力表(10)、压力传感器(11)、卸压阀(12)和真空泵(13)，所述真空泵(13)设置在远离圆盘压力试验管段和容器耐压试验管段的一侧。

3.如权利要求2所述的高压氢脆结构试验装置，其特征在于：所述压缩空气管路(Ⅲ)自压缩空气接口端至气体增压器(23)的低压驱动端之间依次串接有空气过滤器(17)、调压阀(18)、空气压力表(19)、驱动开关阀(20)、电磁阀(21)和节流阀(22)。

4.如权利要求3所述的高压氢脆结构试验装置，其特征在于：所述数据采集与控制系统包括通过信号线彼此相连的计算机(24)和控制柜(25)，所述控制柜(25)还通过信号线与所述压力传感器(11)和电磁阀(21)的控制端相连。

5.如权利要求4所述的高压氢脆结构试验装置，其特征在于：所述气体增压器(23)为活塞式增压器。

6.一种如权利要求4所述的高压氢脆结构试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、开始试验前，完成如下准备工作

将空气压缩机通过管道与所述压缩空气管路(Ⅲ)的压缩空气接口端相连接；

将氢气气瓶通过管道与所述氢气低压供气管路(Ⅰ)的氢气接口端相连接；

检查并确认驱动开关阀(20)、输入截止阀(3)、卸压阀(12)均处于关闭状态；

逆时针旋转调压阀(18)直至调压阀输出压力为零；

2)、当进行圆盘压力试验时，将圆盘试样(8)安装到氢气高压试验管路(Ⅱ)中的试样夹持装置(7)的对应接口上，检查并确认第一高压阀(6)和第二高压阀(9)处于打开状态，第三高压阀(14)和第四高压阀(16)处于关闭状态；

当进行容器耐压试验时，将试验容器(15)安装在第三高压阀(14)和第四高压阀(16)之间，检查并确认第三高压阀(14)和第四高压阀(16)处于打开状态，第一高压阀(6)和第二高压阀(9)处于关闭状态；

3)、缓慢打开氢气气瓶的出口阀及输入截止阀(3)，氢气通过氢气低压供气管路(Ⅰ)和氢气高压试验管路(Ⅱ)充入试样夹持装置(7)或试验容器(15)；当氢气气瓶的出口压力与氢气高压试验管路(Ⅱ)中的压力趋于平衡时，启动空气压缩机，开启驱动开关阀(20)，顺时针旋转调压阀(18)，直到气动增压器(23)开始启动，并使所述气动增压器(23)动作时的运行频率为40次/分钟；随着出口单向阀(4-2)输出压力的上升，气动增压器(23)的运行频率将随着降低；继续顺时针旋转调压阀(18)的手柄升高驱动气压，使氢气高压试验管路(Ⅱ)中的氢气压力继续恒速上升，在此过程中，通过调压阀(18)、电磁阀(21)及节流阀(22)控制与调节氢气进气压力和流量，以实现对升压速率的控制与调节或使氢气压力达到设定试验压力；

当进行圆盘压力试验时，使氢气压力继续恒速上升直到圆盘试样(8)发生破裂，通过记忆压力表(10)及压力传感器(11)记录圆盘试样(8)的破裂压力，破裂压力数据通过信号线上传至计算机(24)；同时停止空气压缩机，关闭驱动开关阀(20)、输入截止阀(3)，打开卸压阀(12)对系统卸压，试验结束；

当进行容器耐压试验时，则在氢气压力达到设定试验压力时停止空气压缩机，关闭驱动开关阀(20)，系统进入保压状态；保压完毕后，关闭输入截止阀(3)，缓慢打开卸压阀(12)对系统卸压，试验结束。

7.如权利要求6所述的高压氢脆结构试验装置的试验方法，其特征在于：在每次试验前后，启动真空泵(13)对整个试验装置行抽气净化，以清除空气或瓶壁吸收的水分的痕迹。