CN110793860A - 一种高压氢气测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压氢气测试系统及方法，所述高压氢气测试系统包括封闭式箱体，所述封闭式箱体的一侧依次设有驱动气输入口、氢气输入口、氮气输入口，所述封闭式箱体的另一侧依次设有抽真空接口、泄压接口、呼吸口；所述封闭式箱体内设有一级气动增压泵，所述一级气动增压泵通过管路分别连接冷却器、过滤器一，所述过滤器一与截止阀一、气动阀一依次连接，所述气动阀一通过管路分别连接氢气气瓶、氮气气瓶；所述冷却器与过滤器二连接，所述过滤器二通过管路与二级气动增压泵连接。该高压氢气测试系统能为试验提供超高压力的氢气介质，解决了金刚石对顶砧试验的试验介质问题和极限压力问题。

Description

一种高压氢气测试系统及方法

技术领域

本发明涉及金刚石对顶砧试验超高压技术领域，具体来说，涉及一种高压氢气测试系统及方法。

背景技术

金刚石对顶砧试验是通过两个超硬材料金刚石表面对测试样品进行挤压，从而达到使体系产生高压，目前这一试验的介质通常为氮气且增压方式多为手动控制，没有足够的安全措施而且增压能力有限，这样使得试验无法检测样品在其他介质环境下的性质，同时还具有一定的危险性。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种为金刚石对顶砧试验提供超高压氢气的装置，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高压氢气测试系统，包括封闭式箱体，所述封闭式箱体的一侧依次设有驱动气输入口、氢气输入口、氮气输入口，所述封闭式箱体的另一侧依次设有抽真空接口、泄压接口、呼吸口；所述封闭式箱体内设有一级气动增压泵，所述一级气动增压泵通过管路分别连接冷却器、过滤器一，所述过滤器一与截止阀一、气动阀一依次连接，所述气动阀一通过管路分别连接氢气气瓶、氮气气瓶；所述冷却器与过滤器二连接，所述过滤器二通过管路与二级气动增压泵连接，所述二级气动增压泵通过管路与过滤器三连接，所述过滤器三通过管路分别连接高压容器、气动阀三，所述气动阀三与截止阀五连接，所述截止阀五与所述抽真空接口连接；所述高压容器分别通过泄压阀四、泄压阀五与泄压接口连接；所述一级气动增压泵、二级气动增压泵分别通过管路与所述呼吸口连接；所述驱动气输入口通过管路分别连接所述一级气动增压泵的驱动气室、二级气动增压泵的驱动气室，所述一级气动增压泵的驱动气室、二级气动增压泵的驱动气室分别通过另一管路连接所述驱动气输入口。

进一步地，连接所述气动阀一与所述氢气气瓶的管路上依次设有单向阀一、截止阀二，所述截止阀二与所述氢气输入口连接，所述氢气输入口通过软管与所述氢气气瓶连接；连接所述气动阀一与所述氮气气瓶的管路上依次设有单向阀二、截止阀三，所述截止阀三与所述氮气输入口连接，所述氮气输入口通过软管与所述氮气气瓶连接，连接所述气动阀一与所述单向阀一的管路上设有泄压阀一。

进一步地，连接所述一级气动增压泵与所述过滤器一的管路上设有压力表一，所述压力表一与压力变送器一连接，所述压力变送器一与数显仪表一连接，连接所述二级气动增压泵与所述过滤器二的管路上依次设有压力表三、泄压阀二；连接所述二级气动增压泵与所述过滤器三的管路上依次设有爆破片、单向阀三。

进一步地，连接所述过滤器三与高压容器的管路上依次设有泄压阀三、气动阀二、截止阀四、压力表二，所述压力表二与压力变送器二连接，所述压力变送器二与数显仪表二连接；所述高压容器与所述泄压阀五之间设有气动阀四。

进一步地，所述抽真空接口通过电磁充气阀与真空泵连接，所述电磁充气阀与所述真空泵之间设有真空计。

进一步地，连接所述一级气动增压泵的驱动气室与所述驱动气输入口的管路上依次设有过滤调压阀一、调速阀一、刻度阀一，连接所述二级气动增压泵的驱动气入口与所述驱动气输入口的管路上依次设有过滤调压阀二、调速阀二、刻度阀二，连接所述一级气动增压泵的驱动气室、二级气动增压泵的驱动气室与所述驱动气输入口的另一管路上依次设有若干电磁阀、过滤调压阀三及压力表四，压力表一、压力表二、压力表三、压力表四、泄压阀三、泄压阀四、泄压阀五、调速阀一、调速阀二均安装在封闭式箱体的面板上。

根据本发明的另一方面，提供了利用所述高压氢气测试系统为金刚石对顶砧试验提供超高压氢气的方法，包括以下步骤：

1)检查：检查高压氢气测试系统面板，使所有阀门处于关闭状态，静电接地无误，驱动气源、介质气源、工件全部就位，确认电源已连接，远程控制系统界面显示正常；

2)连接：氢气输入口、氮气输入口分别通过软管和氢气气瓶、氮气气瓶相连接；

3)设置：通入压缩空气，缓慢调节过滤调压阀一、过滤调压阀二、过滤调压阀三，调节压力为0.7MPa，其中过滤调压阀一和过滤调压阀二分别控制两台气动增压泵的驱动气，过滤调压阀三控制系统内气动阀的驱动气；

4)吹扫置换：氢气系统增压前，为保证操作安全，必须将系统内的空气排尽(主要为氧气)，试验开始前，先使用真空泵对系统进行抽真空，达到试验要求真空度后，再对系统内管路进行氮气吹扫，排尽管路中的空气后，进行氢气置换操作；

通过自动控制系统界面，选择打开气动阀一、气动阀二及截止阀三、截止阀四、泄压阀四。打开氮气气瓶阀对系统进行吹扫，1～2min之后关闭氮气瓶阀和泄压阀；

打开氢气瓶阀和气动阀一、气动阀二，当压力至5MPa时关闭氢气输入阀，打开泄压阀，泄压至0.5MPa；之后重复上面操作，往复3次；

5)氢气增压：缓慢打开氢气气瓶阀，当压力平衡后，打开调速阀一及调速阀二进行增压，增压速度不宜过快，以免产生大量热能；

6)压力监测：试验过程中，系统通过压力表、压力变送器实时监测系统的压力变化及温度变化；当压力出现异常，控制系统能够马上做出反应；

7)当压力达到30kpsi后，关闭气动阀二，通过拧动高压容器(高压反应釜)的螺杆对金刚石对顶砧试验工装进行加压，达到目标压力；

8)泄压：试验结束后，关闭氢气气瓶阀，打开泄压阀将系统内氢气泄掉，之后打开氮气气瓶阀再次对系统内管路进行吹扫1～2min，将系统残存的氢气排尽。

进一步地，氢气气瓶如果为气瓶组，则气瓶组框架要严格接地，确认各个接口与对应的设备连接牢靠。

本发明的有益效果：

1)提高了试验效率，相比传统单泵增压方式，双泵串联方式即保证了试验要求的压力和气体流量，又大幅度的减少了增压所需的时间；

2)提高了试验安全性，相比传统的电动泵增压和手动操作增压，本发明的气动增压泵只需要提供驱动气，即可将试验介质加压到设定压力；

3)能为试验提供超高压力的氢气介质，最大压力可达几十GPa，解决了金刚石对顶砧试验的试验介质问题和极限压力问题，配套的自动控制系统使得试验更加简单、安全，从而提高了金刚石对顶砧试验的性能，可以应用于普通实验室进行高压条件下的各种性能测试，进而便于更好地研究试验样品在压缩状态下的性质；

4)本发明的增压器采用无油润滑技术，系统不需要润滑设备，能节约全部润滑油费用，减少环境污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的高压氢气测试系统的示意图；

图2是根据本发明实施例所述的气动增压泵的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种高压氢气测试系统，包括封闭式箱体1，所述封闭式箱体1的一侧依次设有驱动气输入口2、氢气输入口3、氮气输入口4，所述封闭式箱体1的另一侧依次设有抽真空接口5、泄压接口6、呼吸口7；所述封闭式箱体1内设有一级气动增压泵8，所述一级气动增压泵8通过管路分别连接冷却器9、过滤器一10，所述过滤器一10与截止阀一11、气动阀一12依次连接，所述气动阀一12通过管路分别连接氢气气瓶13、氮气气瓶14；所述冷却器9与过滤器二23连接，所述过滤器二23通过管路与二级气动增压泵24连接，所述二级气动增压泵24通过管路与过滤器三25连接，所述过滤器三25通过管路分别连接高压容器30、气动阀三31，所述气动阀三31与截止阀五39连接，所述截止阀五39与所述抽真空接口5连接；所述高压容器30分别通过泄压阀四43、泄压阀五44与泄压接口6连接；所述一级气动增压泵8、二级气动增压泵24分别通过管路与所述呼吸口7连接；所述驱动气输入口2通过管路分别连接所述一级气动增压泵8的驱动气室、二级气动增压泵24的驱动气室，所述一级气动增压泵8的驱动气室、二级气动增压泵24的驱动气室分别通过另一管路连接所述驱动气输入口2。

连接所述气动阀一12与所述氢气气瓶13的管路上依次设有单向阀一15、截止阀二16，所述截止阀二16与所述氢气输入口3连接，所述氢气输入口3通过软管与所述氢气气瓶13连接；连接所述气动阀一12与所述氮气气瓶14的管路上依次设有单向阀二17、截止阀三18，所述截止阀三18与所述氮气输入口4连接，所述氮气输入口4通过软管与所述氮气气瓶14连接，连接所述气动阀一12与所述单向阀一15的管路上设有泄压阀一19。

连接所述一级气动增压泵8与所述过滤器一10的管路上设有压力表一20，所述压力表一20与压力变送器一21连接，所述压力变送器一21与数显仪表一22连接，连接所述二级气动增压泵24与所述过滤器二23的管路上依次设有压力表三26、泄压阀二27；连接所述二级气动增压泵24与所述过滤器三25的管路上依次设有爆破片28、单向阀三29。

连接所述过滤器三25与高压容器30的管路上依次设有泄压阀三32、气动阀二34、截止阀四35、压力表二36，所述压力表二36与压力变送器二37连接，所述压力变送器二37与数显仪表二38连接；所述高压容器30与所述泄压阀五44之间设有气动阀四45。

所述抽真空接口5通过电磁充气阀40与真空泵(旋片真空泵)41连接，所述电磁充气阀40与所述真空泵之间设有真空计42。

连接所述一级气动增压泵8的驱动气室与所述驱动气输入口2的管路上依次设有过滤调压阀一46、调速阀一47、刻度阀一48，连接所述二级气动增压泵24的驱动气入口与所述驱动气输入口2的管路上依次设有过滤调压阀二49、调速阀二50、刻度阀二51，连接所述一级气动增压泵8的驱动气室、二级气动增压泵24的驱动气室与所述驱动气输入口2的另一管路上依次设有若干电磁阀52、过滤调压阀三53及压力表四54。

所述高压氢气测试系统采用的相关器件的型号如表1所示：

表1相关器件的型号

利用所述高压氢气测试系统为金刚石对顶砧试验提供超高压氢气的方法，包括以下步骤：

1)检查：检查高压氢气测试系统面板，使所有阀门处于关闭状态，静电接地无误，驱动气源、介质气源、工件全部就位，确认电源已连接，远程控制系统界面显示正常；

2)连接：氢气输入口、氮气输入口分别通过软管和氢气气瓶、氮气气瓶相连接，氢气气瓶如果为气瓶组，则气瓶组框架要严格接地，确认各个接口与对应的设备连接牢靠；

3)设置：通入压缩空气，缓慢调节过滤调压阀一、过滤调压阀二、过滤调压阀三，调节压力为0.7MPa，其中过滤调压阀一和过滤调压阀二分别控制两台气动增压泵的驱动气，过滤调压阀三控制系统内气动阀的驱动气；

4)吹扫置换：氢气系统增压前，为保证操作安全，必须将系统内的空气排尽(主要为氧气)，试验开始前，先使用真空泵对系统进行抽真空，达到试验要求真空度后，再对系统内管路进行氮气吹扫，排尽管路中的空气后，进行氢气置换操作；

通过自动控制系统界面，选择打开气动阀一、气动阀二及截止阀三、截止阀四、泄压阀四。打开氮气气瓶阀对系统进行吹扫，1～2min之后关闭氮气瓶阀和泄压阀；

打开氢气瓶阀和气动阀一、气动阀二，当压力至5MPa时关闭氢气输入阀，打开泄压阀，泄压至0.5MPa；之后重复上面操作，往复3次；

5)氢气增压：缓慢打开氢气气瓶阀，当压力平衡后，打开调速阀一及调速阀二进行增压，增压速度不宜过快，以免产生大量热能；

6)压力监测：试验过程中，系统通过压力表、压力变送器实时监测系统的压力变化及温度变化；当压力出现异常，控制系统能够马上做出反应；

7)当压力达到30kpsi后，关闭气动阀二，通过拧动高压容器(高压反应釜)的螺杆对金刚石对顶砧试验工装进行加压，达到目标压力；

8)泄压：试验结束后，关闭氢气气瓶阀，打开泄压阀(由手动泄压阀和气动泄压阀控制泄压管路)将系统内氢气泄掉，之后打开氮气气瓶阀再次对系统内管路进行吹扫1～2min，将系统残存的氢气排尽。

所述高压氢气测试系统主要用于将气瓶中的氢气增压充入高压容器中，满足客户试验需求，其工作原理为：

系统选用两台气动增压泵作为气体增压动力，包含两路进气，一路为氮气一路为氢气，均由气瓶气作为系统气源，通过软管连接到增压设备，经过手动截止阀、单向阀、气动截止阀、过滤器输送到一级增压泵，再经冷却和过滤后到达二级增压泵，经过二次增压将氢气输送到高压反应釜中，增压后输出氢气压力最高可达30kpsi，高压容器配有防护工装，能保障操作者的安全。高压氢气测试系统所有元件集成在一个封闭式箱体中，电气元件配置有防爆接线箱，机械部分通过不锈钢管路连接，所有管路采用前后卡套和压盖挡圈形式连接，安装维修方便，无需焊接。设备运行安全可靠并满足中国及国际相关标准法规、规范的要求，符合氢气场合安全需要，具备防静电、无电火花、防爆等安全措施。

系统核心装置为美国进口Haskel氢气专用增压泵和高压反应釜，通过增压泵可将低压氢气增压至30kpsi，再通过拧动高压反应釜的螺杆对反应釜内的金刚石对顶砧试验工装加压，将氢气增压到目标压力，系统最高压力可达几十GPa。

系统中的气体增压泵是无润滑、往复活塞式增压设备。气动增压泵原理如下：

增压泵活塞杆两端的活塞面积不同，将驱动介质通入与大活塞相连的腔，通过交替使用吸入和排出压缩介质的两个控制阀，活塞可以往复运动。在活塞往复运动过程中，根据受力平衡，小活塞端产生高压气体。

输出压力为：

式中：FA为驱动端面积；FB为输出端面积；Pa为驱动压力。

气体增压泵有以下特点：

(1)压缩介质驱动——无产生热、火星和火花危险；

(2)入口压力范围宽——可以任意调节驱动频率和输出流量，及进气口压力；

(3)适用高压输出——最大压力输出值达到39,000psi(2,690bar)；

(4)自润滑设备——独一无二的密封技术可以使增压泵在无润滑的条件下工作，在使用非金属轴承和磨损补偿密封的高压工作腔中不需要任何形式的润滑，既节省了运行费用，又避免蒸发气体对周围环境造成污染；

(5)密封性能好——体增压泵中包含有三套动态密封装置用于将气体压缩腔与驱动腔分离，这种设计可以保证被压缩气体在任何情况下不被污染，保证了高压系统安全可靠；

(6)自冷却——利用自身的冷却系统将冷却剂通入增压泵自带的热交换器，用来冷却高压输出气体和增压泵的钢套。这种做法可以保证高压输出气体和增压装置的温度在20度的附近；

(7)易实现自动控制——增压设备预留有外控端口，当外控端口中有控制信号时，增压设备才有正常工作的可能，因此，利用外控口配合控制元件，可以轻松实现增压设备在任何预定压力下自动停机，设备在停机期间无能耗、不产生热量；

(8)易维护——无需额外的润滑与冷却环节，密封件寿命长，产品易维护；

(9)可以连续停/开机，无限制，无不利影响。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过两台串联的气动增压器将氢气从Max.15MPa增压至30kpsi，即保证了增压速度也保证了试验气体的流量；由于增压介质为氢气，所以设备的仪表均选用禁油压力表，管路、阀门和接头等经过禁油处理；系统由空气压缩机产生低压压缩空气，压缩空气经过滤调压后，作为气动泵和气动阀的动力源；系统根据被试件测试功能要求，合理设计了低压驱动空气路，气体增压路、泄压路、抽真空路，并配置了氮气置换路，用于试验前将系统内空气排尽，保证试验的安全。另外系统中的机械增压部分、电气控制部分、测试部分及抽真空部分(如过滤调压阀、过滤器、单向阀、安全阀、球阀、针阀、压力表、减压阀、压力变送器、电磁阀等，以及对应等级的压力管线)集成在一个封闭式机柜中，顶砧试验使用的反应釜在机柜单独隔开的区域，同时配置了防护工装，保障操作人员的安全，系统中还配置了真空泵，用来对反应釜抽真空，真空泵、波纹管、挡板阀集成在一个可移动小推车上，方便移动和使用。整个增压过程通过自动控制台操作实现，增压过程和压力变化实时监测，所有电器元件均为防爆元件，试验室安装布局符合氢气增压设备使用的环境要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压氢气测试系统，其特征在于，包括封闭式箱体（1），所述封闭式箱体（1）的一侧依次设有驱动气输入口（2）、氢气输入口（3）、氮气输入口（4），所述封闭式箱体（1）的另一侧依次设有抽真空接口（5）、泄压接口（6）、呼吸口（7）；所述封闭式箱体（1）内设有一级气动增压泵（8），所述一级气动增压泵（8）通过管路分别连接冷却器（9）、过滤器一（10），所述过滤器一（10）与截止阀一（11）、气动阀一（12）依次连接，所述气动阀一（12）通过管路分别连接氢气气瓶（13）、氮气气瓶（14）；所述冷却器（9）与过滤器二（23）连接，所述过滤器二（23）通过管路与二级气动增压泵（24）连接，所述二级气动增压泵（24）通过管路与过滤器三（25）连接，所述过滤器三（25）通过管路分别连接高压容器（30）、气动阀三（31），所述气动阀三（31）与截止阀五（39）连接，所述截止阀五（39）与所述抽真空接口（5）连接；所述高压容器（30）分别通过泄压阀四（43）、泄压阀五（44）与泄压接口（6）连接；所述一级气动增压泵（8）、二级气动增压泵（24）分别通过管路与所述呼吸口（7）连接；所述驱动气输入口（2）通过管路分别连接所述一级气动增压泵（8）的驱动气室、二级气动增压泵（24）的驱动气室，所述一级气动增压泵（8）的驱动气室、二级气动增压泵（24）的驱动气室分别通过另一管路连接所述驱动气输入口（2）。

2.根据权利要求1所述的高压氢气测试系统，其特征在于，连接所述气动阀一（12）与所述氢气气瓶（13）的管路上依次设有单向阀一（15）、截止阀二（16），所述截止阀二（16）与所述氢气输入口（3）连接，所述氢气输入口（3）通过软管与所述氢气气瓶（13）连接；连接所述气动阀一（12）与所述氮气气瓶（14）的管路上依次设有单向阀二（17）、截止阀三（18），所述截止阀三（18）与所述氮气输入口（4）连接，所述氮气输入口（4）通过软管与所述氮气气瓶（14）连接，连接所述气动阀一（12）与所述单向阀一（15）的管路上设有泄压阀一（19）。

3.根据权利要求1所述的高压氢气测试系统，其特征在于，连接所述一级气动增压泵（8）与所述过滤器一（10）的管路上设有压力表一（20），所述压力表一（20）与压力变送器一（21）连接，所述压力变送器一（21）与数显仪表一（22）连接，连接所述二级气动增压泵（24）与所述过滤器二（23）的管路上依次设有压力表三（26）、泄压阀二（27）；连接所述二级气动增压泵（24）与所述过滤器三（25）的管路上依次设有爆破片（28）、单向阀三（29）。

4.根据权利要求1所述的高压氢气测试系统，其特征在于，连接所述过滤器三（25）与高压容器（30）的管路上依次设有泄压阀三（32）、气动阀二（34）、截止阀四（35）、压力表二（36），所述压力表二（36）与压力变送器二（37）连接，所述压力变送器二（37）与数显仪表二（38）连接；所述高压容器（30）与所述泄压阀五（44）之间设有气动阀四（45）。

5.根据权利要求1所述的高压氢气测试系统，其特征在于，所述抽真空接口（5）通过电磁充气阀（40）与真空泵（41）连接，所述电磁充气阀（40）与所述真空泵之间设有真空计（42）。

6.根据权利要求1所述的高压氢气测试系统，其特征在于，连接所述一级气动增压泵（8）的驱动气室与所述驱动气输入口（2）的管路上依次设有过滤调压阀一（46）、调速阀一（47）、刻度阀一（48），连接所述二级气动增压泵（24）的驱动气入口与所述驱动气输入口（2）的管路上依次设有过滤调压阀二（49）、调速阀二（50）、刻度阀二（51），连接所述一级气动增压泵（8）的驱动气室、二级气动增压泵（24）的驱动气室与所述驱动气输入口（2）的另一管路上依次设有若干电磁阀（52）、过滤调压阀三（53）及压力表四（54）。

7.利用权利要求1所述系统为金刚石对顶砧试验提供超高压氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）检查：检查高压氢气测试系统，使所有阀门处于关闭状态，静电接地无误，驱动气源、介质气源、工件全部就位，确认电源已连接，远程控制系统界面显示正常；

2）连接：氢气输入口、氮气输入口分别通过软管和氢气气瓶、氮气气瓶相连接；

3）设置：通入压缩空气，缓慢调节过滤调压阀一、过滤调压阀二、过滤调压阀三，调节压力为0.7MPa，其中过滤调压阀一和过滤调压阀二分别控制两台气动增压泵的驱动气，过滤调压阀三控制系统内气动阀的驱动气；

4）吹扫置换：氢气系统增压前，为保证操作安全，必须将系统内的空气排尽，试验开始前，先使用真空泵对系统进行抽真空，达到试验要求真空度后，再对系统内管路进行氮气吹扫，排尽管路中的空气后，进行氢气置换操作；

5）氢气增压：缓慢打开氢气气瓶阀，当压力平衡后，打开调速阀一及调速阀二进行增压，增压速度不宜过快，以免产生大量热能；

6）压力监测：试验过程中，系统通过压力表、压力变送器实时监测系统的压力变化及温度变化；

7）当压力达到30kpsi后，关闭气动阀二，通过拧动高压容器的螺杆对金刚石对顶砧试验工装进行加压，达到目标压力；

8）泄压：试验结束后，关闭氢气气瓶阀，打开泄压阀将系统内氢气泄掉，之后打开氮气气瓶阀再次对系统内管路进行吹扫1~2min，将系统残存的氢气排尽。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，氢气气瓶如果为气瓶组，则气瓶组框架要严格接地，确认各个接口与对应的设备连接牢靠。

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