CN107084882A

CN107084882A - 超高压氢环境轻便式环境力学试验装置

Info

Publication number: CN107084882A
Application number: CN201710197433.4A
Authority: CN
Inventors: 张�林; 吴恒毅; 王雪函; 张盛盛; 方瑛; 嵇伟明; 胡诗音; 周成双
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2017-08-22
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN107084882B

Abstract

本发明公开了一种超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，包括封盖，与封盖连接的上釜体，与上釜体连接的下釜体，上拉伸杆和下拉伸杆；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔上部之间的上环形支撑件、第一动密封结构和上导向环，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的下导向环、第二动密封结构和下环形支撑件；封盖和上釜体之间构成上空腔，上釜体和下釜体之间构成中空腔。本发明具有体积小、质量轻密，封性能好，耐用性强的特点。

Description

超高压氢环境轻便式环境力学试验装置

技术领域

本发明涉及高压氢实验设备技术领域，尤其是涉及一种能够与普通拉伸机配合使用的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置。

背景技术

氢能、石油化工、核电和海洋开发是我国能源战略的重要组成部分。在这些领域中设备往往需要在高温、高压和高腐蚀的环境中运行。

氢能是一种极具前景的清洁能源，氢能的储输最有效的途径是高压储输，在日本和美国氢燃料电池汽车已经推向了市场，加氢站的氢气压力高达98MPa，而氢燃料电池汽车中的储氢罐的压力也有70MPa。众所周知，在氢气环境中，许多材料都会发生力学性能的损减，通常被称为“氢脆”。因此在临氢设备的设计中，材料在该压力下的原位力学性能参数是不可缺少的重要数据。

而目前世界上能进行该实验的设备造价高、占地面积大，并且实验过程非常繁琐，效率低下。比如日本日东高压生产的120MPa的进行高压氢原位力学测试的设备，该设备售价300万元人民币，并且需要定制疲劳试验机，需要将环境设备与试验机组装到一起。该设备及其附件需要一间30m²的实验室。由于该设备的腔体体积超过20L，其进行98MPa高压氢实验时，一次实验就需要3瓶标准氢气，加氢时间就需要数小时，再加上设备庞大问题，一次实验拆装时间就需要10小时左右。每天最多只能进行一次实验，由于人力物力的投入庞大，每次实验的费用高达上万元。该类实验，无论是实验室建设成本还是实验成本都非常巨大，一般的企业研究机构所难以承受。

目前，我国高压氢环境装置方面的研究还处于比较落后的阶段，现在所生产的环境装置是40MPa以下的，无法批量生产100MPa氢气的环境装置。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的超高压氢环境实验装置体积大，压力低的不足，提供了一种能够与普通拉伸机配合使用的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，包括封盖，与封盖连接的上釜体，与上釜体连接的下釜体，上拉伸杆和下拉伸杆；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔上部之间的上环形支撑件、第一动密封结构和上导向环，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的下导向环、第二动密封结构和下环形支撑件；封盖和上釜体之间构成上空腔，上釜体和下釜体之间构成中空腔，上腔体上设有联通上空腔和中空腔的导气管，封盖内设有第三动密封结构，下拉伸杆和下釜体之间设有第四动密封结构。

目前，大多数超高压环境箱都需要进口，都需要单独匹配拉伸机，不能够与普通拉伸机配合使用的，不容易拆装，严重阻碍了我国的氢能利用，阻碍了自主技术的创新。

在传统的力学试验装置中，当腔体内部承受超高压时，由于拉伸杆和腔体一样承受内压，腔体内的超高压会对上拉伸杆产生一个向上的压力，由于超高压的存在，压力会转移到对试样的拉力上，拉力非常大，会导致试样提前断裂。本发明添加了压力平衡系统，用一条导气管，将中空腔内的超高压气体导入上空腔中，而与上导向环和下导向环之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔，与外界大气压保持一致。

上拉伸杆的第一动密封处的截面积与第三动密封处的截面积相同，而第二动密封处的凸台截面积为第一动密封处截面积的2倍，因此在中空腔和上腔体同时产生高压时，中空腔给上拉伸杆的向上压力和上腔体给上拉伸杆的向下压力相等，此时上拉伸杆在轴向上的受力平衡；

本发明可以有效避免试样由于腔体内压力作用而提前断裂的情况的发生。对于高压设备来说，腔体内的压力给试样产生的应力非常大，如果拉伸杆在第三动密封处的截面积与试样检测区的截面积之比为4：1的话，当腔体内的压力为设计压力120MPa时，该压力可以使试样上的应力高达480MPa。在能进行120MPa超高压实验并实现压力平衡的前提下，本发明的质量不超过30kg，腔体体积仅120cm³；整个实验装置可以在拉伸机上自由装卸，并且下釜体可拆卸，灵活便捷地进行试样的装卸。

腔体体积小，实验成本低，且安全系数较高；封盖和釜体均使用动密封结构，密封性能好；

封盖和上腔体使用锥形面进行对中并固定，消除了上拉伸杆可能受到的径向力；使用多重密封圈和垫圈，有效减缓了高压气体对上釜体和下釜体的作用力；下釜体下部使用了多重结构来避免釜体或拉伸杆断裂坠落造成安全事故。

作为优选，与上导向环和下导向环之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔，排气孔与第一竖向通孔联通；上腔体下部设有与中腔体联通的导气管口、进气口、出气口、数字传感器接口、压力传感器接口和爆破片口。

排气孔使上腔体内的气压与外界保持一致，保证压力平衡系统的正常作用。通气管接口，可以接入通气管，将中空腔内的气体导入封盖与封盖主体间的上空腔内，是压力平衡系统的组成部分之一。

进气口用于与气泵连接，给中空腔加压，出气口用于实验时给中空腔放气。

数字传感器接口用于连接数字传感器，压力传感器接口用于连接压力传感器。

作为优选，下釜体包括设有第二竖向通孔的下腔体，设于上拉伸杆和第二竖向通孔上部之间的圆螺母，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的圆螺母、半圆形螺母、底座、下螺母和六角螺母；第四动密封结构位于底座和下螺母之间。

作为优选，上拉伸杆上部设有横向通孔，上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母。

上拉伸杆在超负荷情况下，会在横向通孔处最先发生断裂，断裂发生在上釜体外面，保护上釜体的部件，提高了安全性能。

作为优选，下拉伸杆上部设有环形凸台，下拉伸杆下端设有与拉伸机连接的连接杆。当下釜体内的试样拉断时，下环形凸台可以使下拉伸杆仍然固定在下釜体内内，防止下拉伸杆被拉出，有效避免实验事故的发生。

作为优选，封盖包括可伸入上拉伸杆的竖孔，竖孔上部内设有导向环，竖孔下部内设有封盖螺母，封盖螺母下部伸入第一竖向通孔中；封盖下表面设有环绕竖孔的对中凸台，上釜体上设有与对中凸台对应的环形凹槽，环形凹槽底面上设有密封圈槽。导向环能够使上拉伸杆只做轴向的运动，避免上拉伸杆和釜壁接触。对中凸台和环形凹槽使试样受到两个平行相反的拉力，进行了试样的自动对中；使拉伸试验就能准确反映试样的力学性能。

作为优选，第一动密封结构、第二动密封结构、第三动密封结构和第四动密封结构均包括由上至下依次排列的梯形垫圈、三角形垫圈、o形密封圈、矩形垫圈和弹簧。

作为优选，矩形垫圈所采用的材料为柔性石墨。

作为优选，梯形垫圈和三角形垫圈均采用聚醚醚酮材料，o形密封圈采用全氟醚材料。

在压力过大时，石墨垫圈在与拉伸杆相对运动时会析出石墨微粒，起到润滑o形密封圈的作用，防止剧烈摩擦时对o形密封圈造成损伤并降低o型密封圈的摩擦阻力。

梯形垫圈两边的角度分别为30^o与45^o，三角形垫圈的角度为45^o，当密封结构内部压力过大时，由于受到气压的作用，并发生一定的变形，并将压力传递给梯形垫圈和三角形垫圈，由于梯形垫圈和三角形垫圈的特定角度和相互位置关系，使梯形垫圈会与拉伸杆紧密接触，而三角形垫圈则与金属壁紧密接触，从而防止过高压力会将o型密封圈从拉伸杆与垫圈之间的缝隙挤出，或o型圈因部分挤出而在后续的与拉伸杆的相对运动时过早的发生破裂。

本发明具有以下有益效果：

1.实验室建设成本及实验成本低。装置的整体质量不超过30kg，腔体体积仅120cm3，能承受120MPa的气体压力。且该设备的装卸方便。

2.釜盖、釜体双异形垫圈与柔性石墨垫圈与o型密封圈配合的动密封形式，密封性能好，耐用性强，并有效避免高压可能造成的o型密封圈挤出失效。

3.使用双腔体以及变径拉伸杆，并通过通气管平衡压力，消除了拉伸杆可能受到的径向力，有效避免试样提前断裂的情况的发生。

4.采用多种防护措施防止实验意外发生时造成人身伤害。

5.设备用料少，成本低，功能强大。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的封盖和上釜体的一种结构示意图；

图3是本发明的下釜体下部的一种结构示意图；

图4是密封结构示意图。

图中：封盖1、上釜体2、下釜体3、上拉伸杆4、下拉伸杆5、第三动密封结构7、夹头6、竖孔11、导向环12、封盖螺母13、对中凸台14、环形凹槽15、密封圈槽16、上腔体21、上环形支撑件22、第一动密封结构23、上导向环231、下导向环24、第二动密封结构25、下环形支撑件26、上空腔27、中空腔28、导气管211、排气孔281、导气管口29、下腔体31、圆螺母32、半圆形螺母33、底座34、第四动密封结构35、下螺母36、六角螺母37、横向通孔41、环形凸台51、梯形垫圈201、三角形垫圈202、o形密封圈203、矩形垫圈204、弹簧205。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图3所示的一种超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，包括封盖1，与封盖连接的上釜体2，与上釜体连接的下釜体3，上拉伸杆4和下拉伸杆5；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头6；上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体21，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔上部之间的上环形支撑件22、第一动密封结构23和上导向环231，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的下导向环24、第二动密封结构25和下环形支撑件26；封盖和上釜体之间构成上空腔27，上釜体和下釜体之间构成中空腔28，上腔体上设有联通上空腔和中空腔的导气管211，封盖内设有第三动密封结构7，下拉伸杆和下釜体之间设有第四动密封结构。上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母。

与上导向环和下导向环之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔281，排气孔与第一竖向通孔联通；上腔体下部设有与中腔体联通的导气管口29、进气口、出气口、数字传感器接口、压力传感器接口和爆破片口。

下釜体包括设有第二竖向通孔的下腔体31，设于上拉伸杆和第二竖向通孔上部之间的圆螺母32，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的圆螺母32、半圆形螺母33、底座34、下螺母36和六角螺母37；第四动密封结构35位于底座和下螺母之间。

上拉伸杆上部设有横向通孔41，上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母。下拉伸杆上部设有环形凸台51，下拉伸杆下端设有与拉伸机连接的连接杆。

如图2所示，封盖包括可伸入上拉伸杆的竖孔11，竖孔上部内设有导向环12，竖孔下部内设有封盖螺母13，封盖螺母下部伸入第一竖向通孔中；封盖下表面设有环绕竖孔的对中凸台14，上釜体上设有与对中凸台对应的环形凹槽15，环形凹槽底面上设有密封圈槽16。

如图4所示，第一动密封结构、第二动密封结构、第三动密封结构和第四动密封结构均包括由上至下依次排列的梯形垫圈201、三角形垫圈202、o形密封圈203、矩形垫圈204）和弹簧205。

矩形垫圈所采用的材料为柔性石墨。梯形垫圈和三角形垫圈均采用醚醚酮材料，o形密封圈采用全氟醚材料。

本发明的工作过程如下：

首先，扭开上釜体和下釜体之间的螺栓，将下釜体与上釜体分离。打开下釜体底部的第一螺帽和第二螺帽，将下拉伸杆推入下釜体中，并从下釜体的上口取出下拉伸杆；

将被测试样的两端分别安装到上拉伸杆的下端和上拉伸杆的上端，将下拉伸杆重新从下釜体的上口装入并从下口拉出，重新装回第一螺帽和第二螺帽，紧固第一螺帽和第二螺帽，用螺栓连接上釜体和下釜体并紧固。

进行气密性检测，检查所有的阀门并确保其处于关闭状态，从进气口将惰性气体通入中空腔内，使其达到实验压力的1.2倍，并保压；通过压力表示数的变化判定，设备是否漏气，检验方式为在通入气体后10分钟开始后的10分钟内示数是否有下降。如有泄漏应进行排除。

确认无泄漏后，旋开出气口，进行泄压，然后将高温高压力学试验装置整体安装于拉伸机的上下两个夹持端上，拉伸机与本装置的连接，可以使用螺纹连接，也可以直接使用拉伸机的夹头直接夹持，在连接时首先调整拉伸机的上下夹头之间的位置，使之与本装置的尺寸相匹配；

按照实验的目的，进行试验，试验时首先抽真空，然后加入实验要求的气体到达指定的压力，然后开启拉伸机进行实验；

实验完成后，首先泄压，然后取下高温高压力学试验装置，拆下加热丝层，将本装置竖直放置，并打开上釜体和下釜体之间的螺栓，将下釜体取下，后打开第一螺帽和第二螺帽，将下拉伸杆推入釜腔内，移开下釜体，取下实验后的试样，实验结束。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，包括封盖（1），与封盖连接的上釜体（2），与上釜体连接的下釜体（3），上拉伸杆（4）和下拉伸杆（5）；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头（6）；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体（21），由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔上部之间的上环形支撑件（22）、第一动密封结构（23）和上导向环（231），由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的下导向环（24）、第二动密封结构（25）和下环形支撑件（26）；封盖和上釜体之间构成上空腔（27），上釜体和下釜体之间构成中空腔（28），上腔体上设有联通上空腔和中空腔的导气管（211），封盖内设有第三动密封结构（7），下拉伸杆和下釜体之间设有第四动密封结构。

2.根据权利要求1所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，与上导向环和下导向环之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔（281），排气孔与第一竖向通孔联通；上腔体下部设有与中腔体联通的导气管口（29）、进气口、出气口、数字传感器接口、压力传感器接口和爆破片口。

3.根据权利要求1所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，下釜体包括设有第二竖向通孔的下腔体（31），设于上拉伸杆和第二竖向通孔上部之间的圆螺母（32），由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的圆螺母（32）、半圆形螺母（33）、底座（34）、下螺母（36）和六角螺母（37）；第四动密封结构（35）位于底座和下螺母之间。

4.根据权利要求1所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，上拉伸杆上部设有横向通孔（41），上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母。

5.根据权利要求1所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，下拉伸杆上部设有环形凸台（51），下拉伸杆下端设有与拉伸机连接的连接杆。

6.根据权利要求1所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，封盖包括可伸入上拉伸杆的竖孔（11），竖孔上部内设有导向环（12），竖孔下部内设有封盖螺母（13），封盖螺母下部伸入第一竖向通孔中；封盖下表面设有环绕竖孔的对中凸台（14），上釜体上设有与对中凸台对应的环形凹槽（15），环形凹槽底面上设有密封圈槽（16）。

7.根据权利要求1所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，第一动密封结构、第二动密封结构、第三动密封结构和第四动密封结构均包括由上至下依次排列的梯形垫圈（201）、三角形垫圈（202）、o形密封圈（203）、矩形垫圈（204）和弹簧（205）。

8.根据权利要求7所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，矩形垫圈所采用的材料为柔性石墨。

9.根据权利要求7或8所述的超高压氢环境轻便式环境力学试验装置，其特征是，梯形垫圈和三角形垫圈均采用聚醚醚酮材料，o形密封圈采用全氟醚材料。