CN109142065B - 一种高压氢环境力学试验装置及其试验方法 - Google Patents

一种高压氢环境力学试验装置及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了种高压氢环境力学试验装置，包括主腔体、密封组件和氢气系统；所述主腔体两端分别安装上带刺型密封塞和下带刺型密封塞；所述主腔体两端内部分别放置上导向环和下导向环，所述上导向环和下导向环之间用于支撑试样；所述试样一端与上连接块连接，且所述上连接块伸入上带刺型密封塞；所述试样另一端与下连接块连接，且所述下连接块伸入下带刺型密封塞；所述下连接块固定在下带刺型密封塞上；所述试样与所述主腔体内孔之间的间隙设为充气室，所述充气室上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口连通氢气系统，用于给所述充气室填充氢气。本发明可以实现在高压气体环境下的拉伸或者疲劳实验。

Description

一种高压氢环境力学试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及力学试验设备领域，特别涉及一种高压氢环境力学试验装置及其试验方法。
背景技术
氢能具有储量丰富、可再生、可储运和转换利用率高等优点，被认为是21世纪最具发展前景的清洁能源，对于解决目前制约全球经济发展的“能源短缺”和“环境污染”两大难题具有重要意义，代表着人类未来战略资源的发展方向。氢的安全高效存储是氢能规模化利用的关键。目前主要的储氢技术有：气态高压储氢、液态储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢和复合储氢等。其中，高压储氢方法由于设备结构简单、充氢速度块、压缩氢气制备能耗低等优点，成为目前占主导地位的储氢方式。然而，现阶段在航空航天、汽车、船舶和军事等领域，临氢设备常用金属内胆在高压储氢环境下长期工作，由于承受着交变载荷和高压富氢环境的共同作用，会出现塑性降低、裂纹扩展速率加块的高压氢脆现象，导致关键结构件在服役期内过早失效，易造成突发灾难性的安全事故。
近年来随着光声光力学科的发展，激光和材料相互作用产生热、力效应的应用已引起了国内外学者的广泛关注，其中，激光喷丸强化Laser Peening-LP技术作为一种新颖的表面改性工艺，已被应用于金属零件抗腐蚀、耐磨损以及抗疲劳性能等研究。专利号为201510563120.7的发明专利，提出了一种能显著提高不锈钢抗氢脆性能的方法，通过高温使氢析出并用氮气吹走，结合激光喷丸诱导的高幅残余压应力以有效提高其在氢腐蚀环境下的表面性能及疲劳性能，明确了激光喷丸能有效改善金属材料的抗氢脆性能，但其只是在普通环境下的实验，没有考虑“环境”的问题。但在实际过程中，许多金属材料并不是在常压下服役，而是在高压环境下，例如储氢瓶等，但在取标准样研究其屈服强度、抗拉强度、氢致塑性(断面收缩率、延伸率和断裂应变)及疲劳强度等性能时，需要进行拉伸或疲劳实验，但实际实验中鲜有装置能满足其高压的环境，所以迫切需要一种高压氢环境力学实验装置，满足检测需求，从而为LP抗氢脆工艺的参数优化，以及拓展LP技术在高压储氢设备关键结构件延寿领域中的应用提供理论基础和实验依据。
通过对国内外文献进行检索，目前尚未发现有关激光喷丸强化提高金属材料抗氢脆性能的高压氢环境力学试验装置的相关报道。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高压氢环境力学试验装置及其试验方法，能与普通单向拉伸机配合，实现在高压气体环境下的拉伸或者疲劳实验，贴近现实。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高压氢环境力学试验装置，包括主腔体、密封组件和氢气系统；所述主腔体两端分别安装上带刺型密封塞和下带刺型密封塞；所述主腔体两端内部分别放置上导向环和下导向环，所述上导向环和下导向环之间用于支撑试样；所述试样一端与上连接块连接，且所述上连接块伸入上带刺型密封塞；所述试样另一端与下连接块连接，且所述下连接块伸入下带刺型密封塞；所述下连接块固定在下带刺型密封塞上；所述上带刺型密封塞与上导向环之间和所述下带刺型密封塞与下导向环之间均设有密封组件；所述试样与所述主腔体内孔之间的间隙设为充气室，所述充气室上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口连通氢气系统，用于给所述充气室填充氢气。
进一步，所述密封组件为动密封组或静密封或其组合。
进一步，所述上带刺型密封塞与上导向环之间设有动密封组和静密封的组合，所述动密封组与上导向环接触，所述静密封位于动密封组上方；所述下带刺型密封塞与下导向环之间设有动密封组。
进一步，所述动密封组包括矩形垫圈、三角形密封圈、梯形密封圈和三角形垫圈；所述三角形密封圈、梯形密封圈和三角形垫圈形成矩形密封圈，所述矩形垫圈与三角形密封圈接触；所述三角形垫圈与下导向环或者上导向环接触。
进一步，所述静密封包括O型密封圈和楔形密封圈，所述O型密封圈放置在动密封组上，所述O型密封圈上放置楔形密封圈，且所述楔形密封圈斜面与上带刺型密封塞接触，所述上带刺型密封塞底部设有与所述楔形密封圈斜面配合的倒角，通过上带刺型密封塞压紧楔形密封圈，在拉伸发生轻微位移时，两斜面能相互补偿，保证密封效果。
进一步，与所述上连接块接触的上带刺型密封塞内孔内设有棘刺；与所述下连接块接触的下带刺型密封塞内孔内设有棘刺；与所述主腔体接触的下带刺型密封塞外圆上设有棘刺。
进一步，所述氢气系统包括出气增压泵、废气管路和回收管路，所述出气增压泵进口与气源连接，所述出气增压泵出口与进气口连接；所述出气口通过三通分别连接废气管路和回收管路。
进一步，所述出气增压泵出口与进气口之间设有压力传感器和安全阀；所述气源为储氢瓶；所述废气管路包括第二手动截止阀、废气回收泵和废气回收瓶；所述回收管路包括第一手动截止阀、氢气回收泵和氢气回收瓶。
一种高压氢环境力学试验装置的试验方法，包括如下步骤：
准备工作：所述下连接块与疲劳拉伸设备的下矫正凸台连接，下矫正凸台通过下矫正块与疲劳拉伸设备的工作台固定；所述上连接块与疲劳拉伸设备的上矫正凸台连接，上矫正凸台通过上矫正块与疲劳拉伸设备的拉伸端连接；
清洗腔体：关闭回收管路，打开废气管路，开启出气增压泵，确保腔体内没有空气；
拉伸试验：关闭回收管路，关闭废气管路，开启出气增压泵，通过安全阀确保充气室压力达到设定压力值，在设定压力下疲劳拉伸设备的拉伸端提供连续或间断拉力，直至试样断裂，关闭出气增压泵；
腔体内气体回收：打开回收管路，关闭废气管路，启动氢气回收泵，将氢气送进氢气回收瓶；
分析：分析断裂试样得出单向拉伸力学性能曲线和裂纹扩展长度-疲劳寿命a-N曲线，结合扫描电镜SEM断口微观形貌观测，分析金属材料在高压与常压情况拉断的不同，分析激光喷丸强化金属材料抗氢脆性能的改善。
进一步，所述清洗腔体的次数为2-3次；所述设定压力值范围在35-70MPa之间。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的高压氢环境力学试验装置，通过氢气系统给主腔体充满高压的氢气，可以模拟高压氢环境下的拉伸或疲劳试验；此外本发明能与普通单向拉伸机配合，实现在高压气体环境下的拉伸或者疲劳实验，贴近现实。
2.本发明所述的高压氢环境力学试验装置，通过动密封组采用矩形垫圈、三角形密封圈、梯形密封圈和三角形垫圈的配合，三角形密封圈、梯形密封圈、三角形垫圈之间均为斜面贴合，并以腔体壁与试样为支撑能相互补偿，以矩形垫圈收尾，平面接触，既压实三角形密封圈，又为安置O型密封圈提供位置。
3.本发明所述的高压氢环境力学试验装置，上下均设有导向环与动密封组的配合，保证了在少量位移情况下的密封性以及试样的定位及支撑。
4.本发明所述的高压氢环境力学试验装置，通过所述上带刺型密封塞与动密封组之间设有O型密封圈和楔形密封圈，且所述上带刺型密封塞底部设有与所述楔形密封圈斜面配合的倒角，保证在拉伸过程中，上端具有较大位移时的密封性，O型密封圈、楔形密封圈以及上带刺型密封塞能互补，主腔体压力大时，O型密封圈向外扩张，势必会挤压到上方的楔形密封圈，楔形密封圈受力向上与之斜面接触的上带刺型密封塞又能与之完美契合，楔形密封圈就能在主腔体壁与上带刺型密封塞斜面之间微小活动，并通过斜面进行补偿，上带刺型密封塞与主腔体固连，不会被顶出。
5.本发明所述的高压氢环境力学试验装置，通过上带刺型密封塞和下带刺型密封塞内孔内均设有棘刺，下带刺型密封塞外圆上设有棘刺，也就是下带刺型密封塞为双带刺型，一面与主腔体壁直接接触，可忽略主腔体壁因制造工艺不成熟引起的粗糙，且刺与刺会有空隙，存在的压强能相互抵消，而刺又与主腔体壁或是试样粗端紧靠，可增强密封性；上下带刺型密封塞与试样接触的刺还可以弥补因试样制备不规范或是磨样带来的细微的尺寸差。
6.本发明所述的高压氢环境力学试验方法，通过清洗腔体使之达到完美的氢环境；还能实时充放氢气，并显示压力值，方便调控；设置气体回收处理，不浪费。
附图说明
图1为本发明所述的高压氢环境力学试验装置结构图。
图2为本发明所述的高压氢环境力学试验装置上部内部结构图。
图3为本发明所述的高压氢环境力学试验装置下部内部结构图。
图4为本发明所述的氢气系统原理图。
图5为本发明所述的动密封组结构示意图。
图6为本发明所述的上带刺型密封塞结构示意图。
图7为本发明所述的下带刺型密封塞结构示意图。
图中：
1-下矫正凸台；2-下矫正块；3-下连接块；4-下带刺型密封塞；5-动密封组；6-下导向环；7-主腔体；8-试样；9-充气室；10-上导向环；11-棘刺；12-O型密封圈；13-楔形密封圈；14-上带刺型密封塞；15-上矫正凸台；16-上矫正块；17-上连接块；18-进气口；19-出气口；20-压力传感器；21-安全阀；22-单向阀；23-出气增压泵；24-储氢瓶；25-第一手动截止阀；26-氢气回收泵；27-氢气回收瓶；28-废气回收瓶；29-废气回收泵；30-第二手动截止阀；0501-矩形垫圈；0502-三角形密封圈；0503-梯形密封圈；0504-三角形垫圈。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、图2和图3所示，本发明所述的高压氢环境力学试验装置，疲劳拉伸机的工作台上设有球副连接的下矫正凸台1和下矫正块2，所述下矫正块2通过螺栓固定在工作台上；疲劳拉伸机的拉伸杆上设有球副连接的上矫正凸台16和上矫正块15，所述上矫正块15通过螺栓固定在工作台上；球副连接可以保证径向位置垂直；还包括主腔体7、密封组件和氢气系统；所述主腔体7两端分别安装上带刺型密封塞14和下带刺型密封塞4；所述主腔体7两端内部分别放置上导向环10和下导向环6，所述上导向环10和下导向环6之间用于支撑试样8并在拉伸过程中起导向作用；所述试样8一端与上连接块17连接，且所述上连接块17伸入上带刺型密封塞14，上连接块17与上矫正凸台16连接；所述试样8另一端与下连接块3连接，且所述下连接块3伸入下带刺型密封塞4；所述下连接块3固定在下带刺型密封塞4上，且所述下连接块3与下矫正块2固定；所述上带刺型密封塞14与上导向环10之间和所述下带刺型密封塞4与下导向环6之间均设有密封组件；所述试样8与所述主腔体7内孔之间的间隙设为充气室9，所述充气室9上设有进气口18和出气口19，所述进气口18和出气口19连通氢气系统，用于给所述充气室9填充氢气。
如图4所示，所述氢气系统包括压力传感器20、安全阀21、出气增压泵23、储氢瓶24、第一手动截止阀25、氢气回收泵26、氢气回收瓶27、废气回收瓶28、废气回收泵29和第二手动截止阀30；所述进气口18依次连接压力传感器20、安全阀21、单向阀21、出气增压泵23和储氢瓶24；所述出气口19通过三通连接两条支路，所述一条支路上依次设有第一手动截止阀25、氢气回收泵26和氢气回收瓶27，所述另一条支路上依次设有第二手动截止阀30、废气回收泵29和废气回收瓶28。
如图2、图3和图5所示，所述密封组件为动密封组5或静密封或其组合。所述上带刺型密封塞14与上导向环10之间设有动密封组5和静密封的组合，所述动密封组5与上导向环10接触，所述静密封位于动密封组5上方；所述下带刺型密封塞4与下导向环6之间设有动密封组5。所述动密封组5包括矩形垫圈0501、三角形密封圈0502、梯形密封圈0503和三角形垫圈0504；所述梯形密封圈0503的一个腰与三角形密封圈0502斜面接触，所述梯形密封圈0503的另一个腰与三角形密封圈0504斜面接触；所述三角形密封圈0502、梯形密封圈0503和三角形垫圈0504形成矩形密封圈，所述矩形垫圈0501与三角形密封圈0502接触；所述三角形垫圈0504与下导向环6或者上导向环10接触。所述静密封包括O型密封圈12和楔形密封圈13，所述O型密封圈12放置在动密封组5上，所述O型密封圈12上放置楔形密封圈13，且所述楔形密封圈13斜面与上带刺型密封塞14接触，所述上带刺型密封塞14底部设有与所述楔形密封圈13斜面配合的倒角，通过上带刺型密封塞14压紧楔形密封圈13，在拉伸发生轻微位移时，两斜面能相互补偿，保证密封效果。
如图6和图7所示，与所述上连接块17接触的上带刺型密封塞14内孔内设有棘刺11；与所述下连接块3接触的下带刺型密封塞4内孔内设有棘刺11；与所述主腔体7接触的下带刺型密封塞4外圆上设有棘刺11。下带刺型密封塞4为双带刺型，一面与主腔体7壁直接接触，可忽略主腔体7壁因制造工艺不成熟引起的粗糙，且棘刺11之间会有空隙，存在的压强能相互抵消，而棘刺11又与主腔体7壁或是试样8粗端紧靠，可增强密封性；上带刺型密封塞14和下带刺型密封塞4与试样8接触的棘刺11还可以弥补因试样制备不规范或是磨样带来的细微的尺寸差。
一种的高压氢环境力学试验方法，包括如下步骤：
S1：准备激光喷丸强化的316L不锈钢试样和未处理316L不锈钢试样待用，试样8长110mm，试样粗端直径为10mm，试样细端直径为6mm，试样两端置有螺纹，激光喷丸参数为功率密度选5GW/cm2，频率为1Hz，搭接率50％，脉冲宽度10ns，光斑直径3mm，将主腔体7平置，上方在左，下方在右，分别将上导向环10、下导向环6、动密封组5自腔体口装配至主腔体7内；
S2：左端依次置入O型密封圈12与楔形密封圈13，并将上带刺型密封塞14置入主腔体7内，并通过连接螺钉将上带刺型密封塞(14)安装在主腔体(7)上，右端置入下带刺型密封塞4；
S3：将试样8一端与下连接块3螺纹连接，然后整体自右端依次越过下带刺型密封塞4、动密封组5、下导向环6、上导向环10、动密封组5、O型密封圈12和楔形密封圈13，再通过螺钉将下连接块3和下带刺型密封塞4与主腔体7固连；
S4：将上连接块17一端依次越过上带刺型密封塞14、楔形密封圈13和O型密封圈12，并且与试样8另一端螺纹连接；
S5：所述下连接块3与疲劳拉伸设备的下矫正凸台1连接，下矫正凸台1通过下矫正块2与疲劳拉伸机的工作台固定；所述上连接块17与疲劳拉伸机的上矫正凸台16连接，上矫正凸台16通过上矫正块15与疲劳拉伸机的拉伸端连接；
S6：连接氢气系统；
S7：关闭第一手动截止阀25，打开第二手动截止阀30，启动出气增压泵23，储氢瓶24中的气体释放，氢气经单向阀22、安全阀21涌向腔体，并从下端第二手动截止阀30再经废气回收泵29逸出至废气回收瓶28；
S8：用氢气“清洗”腔体2-3次后，确保腔体内再无其他气体，开始增压处理；
S9：关闭第一手动截止阀25，关闭第二手动截止阀30，启动出气增压泵23，通过安全阀21确保充气室压力达到设定压力值，压力传感器20中可实时显示腔体内压力变化；
S10：实验过程中，高压氢环境力学实验装置下端固定，只有上端承受连续或间断拉力，产生位移；选择力-位移曲线，设置拉伸应变速率为2×10-5s-1，试验拉力为40kN，预紧速度为0.01mm/min，实验速度为1mm/min，待直至试样断裂，关闭出气增压泵23，打开第一手动截止阀25，启动氢气回收泵26，将氢气送进氢气回收瓶27；
S11：将喷丸试样8和非喷丸试样8分别进行高压氢环境与常压单向拉伸力学试验，发现无论是喷丸试样8还是非喷丸试样8，与常压相比，在高压氢环境下的脆硬性提高，符合实际情况，在高压氢环境下金属材料更易发生氢脆现象；再比较喷丸与非喷丸试样8发现，高压情况下喷丸试样的韧性较好，且通过SEM观察断口形貌，发现高压情况下喷丸试样比较非喷丸试样8而言，喷丸试样8的断口以韧窝为主，且韧窝尺寸小，分布均匀，晶粒变小，说明激光喷丸确实能抑制氢的入侵，提高材料的抗氢脆能力，高压氢环境情况拉伸实验及检测为激光喷丸参数的优化提供了以有力的证据，本发明符合现实中类似储氢瓶的工作环境，高压氢环境拉伸装置为科研成果走向现实提供了通道。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压氢环境力学试验装置，其特征在于，包括主腔体(7)、动密封组(5)、静密封和氢气系统；所述主腔体(7)两端分别安装上带刺型密封塞(14)和下带刺型密封塞(4)；所述主腔体(7)两端内部分别放置上导向环(10)和下导向环(6)，所述上导向环(10)和下导向环(6)之间用于支撑试样(8)；所述试样(8)一端与上连接块(17)连接，且所述上连接块(17)伸入上带刺型密封塞(14)；所述试样(8)另一端与下连接块(3)连接，且所述下连接块(3)伸入下带刺型密封塞(4)；所述下连接块(3)固定在下带刺型密封塞(4)上；所述试样(8)与所述主腔体(7)内孔之间的间隙设为充气室(9)，所述充气室(9)上设有进气口(18)和出气口(19)，所述进气口(18)和出气口(19)连通氢气系统，用于给所述充气室(9)填充氢气；所述上带刺型密封塞(14)与上导向环(10)之间设有动密封组(5)和静密封的组合，所述动密封组(5)与上导向环(10)接触，所述静密封位于动密封组(5)上方；所述下带刺型密封塞(4)与下导向环(6)之间设有动密封组(5)；所述动密封组(5)包括矩形垫圈(0501)、三角形密封圈(0502)、梯形密封圈(0503)和三角形垫圈(0504)；所述三角形密封圈(0502)、梯形密封圈(0503)和三角形垫圈(0504)形成矩形密封圈，所述矩形垫圈(0501)与三角形密封圈(0502)接触；所述三角形垫圈(0504)与下导向环(6)或者上导向环(10)接触；所述静密封包括O型密封圈(12)和楔形密封圈(13)，所述O型密封圈(12)放置在动密封组(5)上，所述O型密封圈(12)上放置楔形密封圈(13)，且所述楔形密封圈(13)斜面与上带刺型密封塞(14)接触，所述上带刺型密封塞(14)底部设有与所述楔形密封圈(13)斜面配合的倒角，通过上带刺型密封塞(14)压紧楔形密封圈(13)；与所述上连接块(17)接触的上带刺型密封塞(14)内孔内设有棘刺(11)；与所述下连接块(3)接触的下带刺型密封塞(4)内孔内设有棘刺(11)；与所述主腔体(7)接触的下带刺型密封塞(4)外圆上设有棘刺(11)。
2.根据权利要求1所述的高压氢环境力学试验装置，其特征在于，所述氢气系统包括出气增压泵(23)、废气管路和回收管路，所述出气增压泵(23)进口与气源连接，所述出气增压泵(23)出口与进气口(18)连接；所述出气口(19)通过三通分别连接废气管路和回收管路。
3.根据权利要求2所述的高压氢环境力学试验装置，其特征在于，所述出气增压泵(23)出口与进气口(18)之间设有压力传感器(20)和安全阀(21)；所述气源为储氢瓶(24)；所述废气管路包括第二手动截止阀(30)、废气回收泵(29)和废气回收瓶(28)；所述回收管路包括第一手动截止阀(25)、氢气回收泵(26)和氢气回收瓶(27)。
4.一种根据权利要求3所述的高压氢环境力学试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备工作：所述下连接块(3)与疲劳拉伸设备的下矫正凸台(1)连接，下矫正凸台(1)通过下矫正块(2)与疲劳拉伸设备的工作台固定；所述上连接块(17)与疲劳拉伸设备的上矫正凸台(16)连接，上矫正凸台(16)通过上矫正块(15)与疲劳拉伸设备的拉伸端连接；
清洗腔体：关闭回收管路，打开废气管路，开启出气增压泵(23)，确保腔体内没有空气；
拉伸试验：关闭回收管路，关闭废气管路，开启出气增压泵(23)，通过安全阀(21)确保充气室压力达到设定压力值，在设定压力下疲劳拉伸设备的拉伸端提供连续或间断拉力，直至试样(8)断裂，关闭出气增压泵(23)；
腔体内气体回收：打开回收管路，关闭废气管路，启动氢气回收泵(26)，将氢气送进氢气回收瓶(27)；
分析：分析断裂试样(8)得出单向拉伸力学性能曲线和裂纹扩展长度-疲劳寿命a-N曲线，结合扫描电镜SEM断口微观形貌观测，分析金属材料在高压与常压情况拉断的不同，分析激光喷丸强化金属材料抗氢脆性能的改善。
5.根据权利要求4所述的高压氢环境力学试验装置的试验方法，其特征在于，所述清洗腔体的次数为2-3次；所述设定压力值范围在35-70MPa之间。
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