CN107966233A - 一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法 - Google Patents

一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属氢化物储氢罐安全评价技术领域，特别涉及一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法。在该应力应变测试方法中，应变片主要选择粘贴在罐体直筒、凸面、焊缝及拐角附近等关键位置，水域环境中应用的应变片通过在防水胶内设置吸水剂进行保护；通过向金属氢化物储氢罐内间隔充入或放出定量氢气，测试储氢罐表面应变变化值，得到金属氢化物储氢罐表面应变随储氢量的变化规律，进而判断金属氢化物储氢罐在使用过程中的安全性；本发明提供的应力应变测试方法能够针对性地对储氢罐体上各关键部位的应变进行测试，减少应变测试点，提高测试效率。

Description

一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法
技术领域
本发明属于金属氢化物储氢罐安全评价技术领域，特别涉及一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法。
背景技术
金属氢化物储氢罐的安全评价技术是制约其推广应用的关键瓶颈之一。由于金属氢化物储氢罐中装填的金属氢化物在吸氢过程中会产生较大程度的晶格膨胀，导致储氢罐内金属氢化物床体的整体膨胀，这种膨胀产生巨大的应力，作用于金属氢化物储氢罐的罐体上，表现为罐体的膨胀，随着储氢量的增大，金属氢化物床体内聚集的应力越来越大，储氢罐罐体承受的应力也持续增加，导致罐体膨胀程度增大，当罐体膨胀程度超过一定值后，表现为罐体变形甚至破裂，使储氢罐失效。因此，为保证金属氢化物储氢罐的安全使用，在金属氢化物储氢罐投入使用前，需抽样进行吸、放氢过程中的应力应变测试测试。
在金属氢化物吸、放氢过程中，金属氢化物储氢罐表面承受的应力为膨胀导致的拉伸应力，可由下式表示：
σ＝E·ε
其中，σ为某一方向所受应力，ε为某一方向的应变，E为弹性模量。
一般情况下，对于金属氢化物储氢罐而言，当其吸、放氢过程中的罐体表面某一方向的应力大于其最大设计应力的50％时，认为该储氢罐失效。因此，需要对金属氢化物储氢罐吸、放氢应力应变进行准确测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法，包括以下步骤：
(1)选取应变片粘贴点：先沿储氢罐罐体轴向选取应变片粘贴位置，然后在应变片粘贴位置沿罐体周向选取应变片粘贴点；
其中罐体轴向应变片粘贴位置包括：沿储氢罐罐体直筒段表面轴向中心位置处，在所述中心位置向罐体底部和顶部轴向延伸1/4、1/2罐体直筒长度处，罐体底部中心位置处；
应变片粘贴点周向选取为：对于竖直放置的储氢罐，在应变片粘贴位置沿罐体周向任意选取粘贴点；对于横向放置的储氢罐，在应变片粘贴位置沿横向放置储氢罐罐体周向的上部、侧面中部、下部分别选取应变片粘贴点；
(2)粘贴应变片：金属氢化物储氢罐在水浴环境工作时，应变片粘贴点选取完成后，用砂纸打磨粘贴点区域，用速干胶粘贴应变片，并进行防水处理：在应变片表面涂覆防水胶，在应变片与防水胶之间放置水汽吸附剂，水汽吸附剂与应变片、防水胶之间分别以透明玻璃纸隔开；以防止微量水渗入导致应变片受潮失效；
(3)准备工作：将金属氢化物储氢罐置于与实际应用环境相同的环境中；将应变片引线接入应力应变测试仪，开启应力应变测试仪，打开计算机上安装的应变测试程序，待应力应变测试仪稳定20～30分钟，将测试程序中应变数据清零；
(4)充氢过程：开启金属氢化物储氢罐阀门，充入定量氢气，在应变数据稳定后记录应变数据；重复充入等量氢气、记录数据的操作，直至储氢罐内压力达到储氢罐的额定工作压力，记录最大储氢量时的应力应变值；
(5)放氢过程：开启金属氢化物储氢罐阀门，释放储氢罐内定量氢气，在应变数据稳定后记录应变数据，重复释放等量氢气、记录数据的操作，直至储氢罐内压力达到目标放氢压力。
(6)绘制曲线：根据记录的金属氢化物储氢罐吸、放氢量和其对应的应力应变值数据，绘制金属氢化物储氢罐应力应变值与储氢量的关系曲线。
所述步骤(1)中，如果罐体上存在焊缝、拐角、凸起，则应变片粘贴位置还包括临近焊缝、拐角、凸起的位置。
所述步骤(1)中，在应变片粘贴点上粘贴应变片时，需沿罐体筒体的周向、轴向及两方向的夹角方向至少三个方向粘贴应变片；只需测量应变最大的方向时，仅需沿罐体筒体的周向粘贴应变片。
所述步骤(2)中防水胶涂覆厚度为1～3mm，防水胶为704、902防水胶或502速干胶；水汽吸附剂为石灰、分子筛或硅胶。
所述步骤(4)、(5)充氢、放氢过程，每次充入或释放的氢气量相同；所述步骤(5)目标放氢压力还可以是负压，负压通过对储氢罐进行抽真空实现。
本发明的有益效果为：
本发明提供的应力应变测试方法，操作简单，测试点选取准确；防水胶内侧包覆吸水剂的设计，使得储氢罐在水浴环境下，应变片也长期有效；能够针对性地对储氢罐体上各关键部位进行应变测试，减少应变测试点，提高测试效率，实现对金属氢化物储氢罐吸、放氢过程中应力应变的全程实时准确监测，为金属氢化物储氢罐使用安全提供准确、高效的评估方法。
附图说明
图1为本发明实施例1横向放置的金属氢化物储氢罐应变片粘贴点的选取图；其中图1-a为储氢罐底部粘贴点选取图，图1-b为储氢罐罐体表面粘贴点选取图；
标号说明：Ⅰ-储氢罐罐体；Ⅱ-储氢罐底部；Ⅲ-焊缝；Ⅳ-罐体凸面；Ⅴ-罐体顶部；
图2为本发明实施例1横向放置的金属氢化物储氢罐各部位应力应变值与储氢量的关系曲线图；
其中2-a为横向放置的金属氢化物储氢罐罐体上部应力应变值与储氢量的关系曲线图；
其中2-b为横向放置的金属氢化物储氢罐罐体侧面中部应力应变值与储氢量的关系曲线图；
其中2-c为横向放置的金属氢化物储氢罐罐体下部应力应变值与储氢量的关系曲线图；
其中2-d为横向放置的金属氢化物储氢罐罐体底部中心应力应变值与储氢量的关系曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种金属氢化物储氢罐应力应变测试方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
不锈钢金属氢化物储氢罐的应用环境为25℃水浴环境，横向放置。储氢罐罐体直筒段长度H＝330mm，内径r＝125mm，外径d＝133mm，该储氢罐内装填XY2型储氢合金，合金装填率为54％，总储氢容量约2500L，额定工作压力4MPa。
对不锈钢金属氢化物储氢罐进行应力应变测试，包括以下步骤：
(1)选取测试的应变点
将储氢罐横向放置，具体如图1-b所示，沿储氢罐轴向在上部、侧面中部和下部分别画直线L1、L2、L3，然后在直筒段中心位置垂直轴向方向画直线L4，直线L4和L1、L2、L3交叉点为即为应变粘贴点，如图1-b中上4、侧4和下4点；
以直线L4为中线，分别沿直线L1、L2、L3在向两侧延伸H/4距离，得到上3、上5、侧3、侧5和下3、下5应变片粘贴点；
上2、侧2、下2和上6、侧6、下6分别为临近焊缝Ⅲ的应变片粘贴点；
上1、侧1、下1、上8、侧8、下8为直筒表面和储氢罐罐底部Ⅱ临近拐角的应变片粘贴点，综合图1-a、1-b所示；
上7、侧7、下7为罐体凸面Ⅳ上的应变片粘贴点；
9为罐体底部Ⅱ表面中心点处的应变片粘贴点，综合图1-a、1-b所示。
(2)应变片粘贴防水处理：
a.应变片粘贴点选取完成后，采用400#砂纸对粘贴点区域进行沿与罐体筒体轴向成45°角方向打磨；
b.打磨完成后，采用502速干胶将单轴应变片沿垂直于储氢罐轴向方向即罐体筒体的周向粘贴在应变片粘贴点的中心位置；
c.应变片粘贴完成后，在其表面包覆一层透明玻璃纸，并将约2g左右石灰细分涂覆在玻璃纸表面，之后再包覆一层透明玻璃纸，最后在透玻璃纸外侧涂覆一层HT-901防水胶，防水胶厚度约2mm。
d.防水胶涂覆完成后，在空气中干燥72h，使防水胶完全凝固。
(3)准备工作
将粘贴好应变片的储氢罐置于水域箱内，水温25℃，与储氢罐应用环境相同；将储氢罐上应变片引线接入TST3822型应变仪，开启应力应变测试仪，打开计算机上安装的应变测试程序，待应变仪稳定20～30分钟后，将测试程序中应变数据清零；
(4)充氢过程
a.开启金属氢化物储氢罐阀门，向储氢罐内充入约500L的氢气，应变仪显示数据增大，待应变数据稳定时，记录数据；
b.继续向储氢罐内充入约500L的氢气，待应变数据稳定后记录应变值；重复步骤(b)，直至储氢罐压力达到4MPa时，停止充氢；储氢罐达到最大的充氢量约2520L H2，记录最终的应变值。
(5)放氢过程
储氢罐充氢饱和后，将金属氢化物储氢罐内的氢气分次放出，每次放氢量约500L，待应变数据稳定，记录相应的应变值，直至储氢罐内压力达到1atm。
(6)绘制曲线
根据金属氢化物储氢罐吸、放氢量和对应的应力应变值，得到横向放置的金属氢化物储氢罐表面上部、侧面中部、下部、罐体底部中心位置应力应变值随储氢量的变化规律，具体如图2-a、2-b、2-c、2-d所示。
从图2中各变化曲线可以看出，随着金属氢化物储氢罐中的储氢量增大，其罐体表面应变增大，变化曲线基本为指数曲线。当储氢罐开始放氢时，应变迅速减小。
根据金属氢化物储氢罐表面上部、侧面中部和下部图形即图2-a、2-b、2-c中变化曲线的整体变化趋势可知，在吸氢过程中，罐体直筒段中部的应变最大，即应变点上4、侧4、下4处的应变最大。
距离直线L4H/4距离的应变点上3、侧3、下3和上5、侧5、下5的应变值，整体次之；
罐体上靠近焊缝Ⅲ位置的应变点上2、侧2、下2和上6、侧6、下6的应变值继续减小，说明罐体焊接效果较好，焊缝的存在不会对储氢罐的安全性产生较大影响。
罐体凸面Ⅳ由于靠近罐体端口，其内部装填的储氢合金密度较小，罐体凸面Ⅳ位置的应变点上7、侧7、下7的应变值，相较于应变点上2、侧2、下2的应变值稍大，但是仍小于应变点上6、侧6、下6的应变值；
直筒表面和罐底底面Ⅱ临近拐角位置处的应变片粘贴点1、侧1、下1、上8、侧8、下8的应变值最小；
从金属氢化物储氢罐罐体底部Ⅱ中心图形即图2-d中变化曲线可知，罐体底部中心位置9的应变值也较小，当储氢量为最大值2520L时，罐体底部中心位置9的应变值稍大于直筒表面和罐底底面Ⅱ临近拐角位置处应变点的应变值。
综合可知，储氢罐最大应变出现在罐体直筒段中心位置直线L4处，最大应变位置为罐体下部即下4位置，最大值为1560με，而储氢罐许用应力下的应变值为2000με，因此，金属氢化物在吸放氢过程中的应力应变值符合安全要求。

Claims (6)

1.一种金属氢化物储氢罐吸氢、放氢过程应力应变测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
(1)选取应变片粘贴点：先沿储氢罐罐体轴向选取应变片粘贴位置，然后在应变片粘贴位置沿罐体周向选取应变片粘贴点；
其中罐体轴向应变片粘贴位置包括：沿储氢罐罐体直筒段表面轴向中心位置处，在所述中心位置向罐体底部和顶部轴向延伸1/4、1/2罐体直筒长度处，罐体底部中心位置处；
应变片粘贴点周向选取为：对于竖直放置的储氢罐，在应变片粘贴位置沿罐体周向任意选取粘贴点；对于横向放置的储氢罐，在应变片粘贴位置沿横向放置储氢罐罐体周向的上部、侧面中部、下部分别选取应变片粘贴点；
(2)粘贴应变片：金属氢化物储氢罐水浴环境工作时，用速干胶粘贴应变片，并在应变片表面涂覆防水胶，应变片与防水胶之间放置水汽吸附剂；其中水汽吸附剂与应变片、防水胶之间分别以透明玻璃纸隔开；
(3)准备工作：将金属氢化物储氢罐置于与实际应用环境相同的环境中；将应变片引线接入应力应变测试仪，开启应力应变测试仪，打开应变测试程序，稳定20～30分钟，将测试程序中应变数据清零；
(4)充氢过程：开启金属氢化物储氢罐阀门，充入氢气并记录数据；重复充氢、记录数据的操作，直至储氢罐内压力达到储氢罐的额定工作压力；
(5)放氢过程：开启金属氢化物储氢罐阀门，释放储氢罐内氢气，并记录应变数据，重复放氢、记录数据的操作，直至储氢罐内压力达到目标放氢压力。
(6)绘制曲线：根据记录的数据，绘制金属氢化物储氢罐应力应变值与储氢量的关系曲线。
2.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中，如果罐体上存在焊缝、拐角、凸起，则应变片粘贴位置还包括临近焊缝、拐角、凸起的位置。
3.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在应变片粘贴点上粘贴应变片时，需沿罐体筒体的周向、轴向及两方向的夹角方向至少三个方向粘贴应变片。
4.根据权利要求3所述测试方法，其特征在于，只需测量应变最大的方向时，仅需沿罐体筒体的周向粘贴应变片。
5.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤(2)中防水胶涂覆厚度为1～3mm，水汽吸附剂为石灰、分子筛或硅胶。
6.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤(4)、(5)充氢、放氢过程，每次充入或释放的氢气量相同；所述步骤(5)目标放氢压力还能是负压。
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