CN114383945A - 一种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法 - Google Patents

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秦刚华
杨敬东
王涛
王西明
雪小峰
孙士恩
许好好
李想
陈石义
董志
赵可君
帅健
李云涛
梅苑
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China University of Petroleum Beijing
Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
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Zhejiang Energy And Natural Gas Group Co ltd
China University of Petroleum Beijing
Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
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    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0017—Tensile

Abstract

本发明涉及一种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法，包括步骤：根据力学性测试标准和力学性测试平台的要求，设计材料试件尺寸，通过线切割以及抛光工艺加工材料试件；将经过加工的材料试件置于高压反应釜中，向高压反应釜内注入氢气，借助高压气体环境模拟不同条件的掺氢环境，改变高压反应釜内氢环境下的氢气浓度、压力和温度，根据分压法控制氢气浓度。本发明的有益效果是：本发明通过力学性实验综合得出材料在对应氢环境下的氢脆敏感性；与以往的电化学充氢方法相比，本发明的充氢手段更符合实际材料在工业中所处的氢环境下的氢脆反应，本发明为掺氢管道运输的可行性提供重要依托。

Description

一种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法
技术领域
本发明属于能源运输技术领域，尤其涉及一种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法。
背景技术
氢气是一种高热值的环保燃料，具有广阔的发展前景。目前，各国石油资源供应日趋紧张，氢气已开始成为主要的替代能源，用于工业生产和日常生活中。氢气运输方式主要包括车辆运输、船舶运输和管道运输等。其中，管道运输具有运输距离远、运输成本低等优点，管道运输已成为氢气的重要运输方式。
纯氢输送管道的建造工程量过于庞大，借助已建的天然气管道或其他燃料管道输送氢气或氢气—天然气混合的方法，受到了许多国家的青睐。然而，与天然气及其他气体不同，氢气在高输送压力的影响下，更容易渗入管道内部，导致氢脆，引发气体泄漏。如果遭遇明火，泄漏出的氢气会发生气体爆炸，进一步造成严重的人员伤亡，并破坏环境。因此，氢环境下材料适用性的研究是管道掺氢运输可行性的重要依托。
目前，国内外对于氢环境下材料适用性研究的主要关注点为材料种类，所模拟的氢环境条件较为单一，且材料充氢方式也多为电化学充氢，并不完全符合实际管输情况。因此，需要设计一种简单高效能够模拟多种氢环境，且充氢手段符合实际工业情况的材料适用性测试方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法。
这种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法，包括以下步骤：
步骤1、根据力学性测试标准和力学性测试平台的要求，设计材料试件尺寸，通过线切割以及抛光工艺加工材料试件；
步骤2、将经过步骤1加工的材料试件置于高压反应釜中，向高压反应釜内注入氢气，借助高压气体环境模拟不同条件的掺氢环境，改变高压反应釜内氢环境下的氢气浓度、压力和温度，根据分压法控制氢气浓度：
Figure BDA0003481286550000021
Figure BDA0003481286550000022
上式中，
Figure BDA0003481286550000023
为向高压反应釜内注入氢气时的压力变化，单位为MPa；P0为向高压反应釜内注入其他气体(与氢气混掺的气体)时的压力变化，单位为MPa；P为掺氢环境下的总压力，单位为MPa；
Figure BDA0003481286550000024
为高压反应釜内的氢气体积浓度的变化值，为百分数；0.1为其他气体(与氢气混掺的气体)所占的常压值，单位为MPa；
进行材料试件充氢；
步骤3、利用慢应力应变拉伸试验机来测试充氢后的材料试件力学性(氢脆敏感性)，记录充氢后的材料试件的拉伸量以及载荷位移数据，进行氢脆敏感性及应力应变曲线分析(载荷位移数据通过数据处理后，可以转变为应力应变曲线，从而进行分析)。
作为优选，步骤1中力学性测试标准为标准GB228；材料试件的厚度大于3mm，板材试件的总长度小于200mm。
作为优选，步骤2中将高压反应釜内氢环境下的氢气浓度设定在0～100％内，压力设定在0～10MPa，温度设定在300℃。
作为优选，步骤3具体包括如下步骤：
步骤3.1、利用慢应力应变拉伸试验机对充氢后的材料试件进行力学性实验，在10-6～10mm/min之间无级调节拉伸速率，并在电脑端存储充氢后的材料试件的载荷位移数据；
步骤3.2、设置未充氢的材料试件对照组，并用游标卡尺测量充氢后的材料试件和未充氢的材料试件标距部分的伸长率；
步骤3.3、根据记录的充氢后的材料试件的拉伸量来计算其氢脆敏感性：
Figure BDA0003481286550000025
上式中，δHE为以伸长率表征的氢脆敏感指数，为百分数；δ0为拉伸后的材料试件在空气中的伸长率，为百分数；δH为充氢且拉伸后的材料试件的伸长率，为百分数。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种可以模拟多种氢环境下的材料适用性测试方法，通过力学性实验综合得出材料在对应氢环境下的氢脆敏感性；与以往的电化学充氢方法相比，本发明的充氢手段更符合实际材料在工业中所处的氢环境下的氢脆反应，本发明为掺氢管道运输的可行性提供重要依托。
附图说明
图1为本发明材料适用性测试方法的整体流程图；
图2-1为本发明的板材拉伸前的加工试样示意图；
图2-2为本发明的板材拉伸后的加工试样示意图；
图3为实施例二中电脑端记载的载荷随位移数据变化的曲线图；
图4为本发明实施例二的材料试件示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供了一种如图1所示可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法：
步骤1、根据力学性测试标准和力学性测试平台的要求，设计材料试件尺寸，通过线切割以及抛光工艺加工材料试件；
步骤2、将经过步骤1加工的材料试件置于高压反应釜中，向高压反应釜内注入氢气，借助高压气体环境模拟不同条件的掺氢环境，改变高压反应釜内氢环境下的氢气浓度、压力和温度，根据分压法控制氢气浓度：
Figure BDA0003481286550000031
Figure BDA0003481286550000032
上式中，
Figure BDA0003481286550000033
为向高压反应釜内注入氢气时的压力变化，单位为MPa；P0为向高压反应釜内注入其他气体(与氢气混掺的气体)时的压力变化，单位为MPa；P为掺氢环境下的总压力，单位为MPa；
Figure BDA0003481286550000034
为高压反应釜内的氢气体积浓度的变化值，为百分数；0.1为其他气体(与氢气混掺的气体)所占的常压值；
进行材料试件充氢；
步骤3、利用慢应力应变拉伸试验机来测试充氢后的材料试件力学性(氢脆敏感性)，记录充氢后的材料试件的拉伸量以及载荷位移数据，进行氢脆敏感性及应力应变曲线分析；
步骤3.1、利用慢应力应变拉伸试验机对充氢后的材料试件进行力学性实验，在10-6～10mm/min之间无级调节拉伸速率，并在电脑端存储充氢后的材料试件的载荷位移数据；
步骤3.2、设置未充氢的材料试件对照组，并用游标卡尺测量充氢后的材料试件和未充氢的材料试件标距部分的伸长率；
步骤3.3、根据记录的充氢后的材料试件的拉伸量来计算其氢脆敏感性：
Figure BDA0003481286550000041
上式中，δHE为以伸长率表征的氢脆敏感指数，为百分数；δ0为拉伸后的材料试件在空气中的伸长率，为百分数；δH为充氢且拉伸后的材料试件的伸长率，为百分数。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了实施例一中可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法在现实中的应用：
燃气站场是氢气混掺的关键场所，其站场设备对于混掺氢气的适用性研究至关重要，选择某燃气站场阀门作为研究对象，根据标准设计对应的试件尺寸，试件尺寸如下表1所示，购买相应的阀门材料，进行试件加工。
表1实施例2的试件尺寸表
Figure BDA0003481286550000042
本发明的板材拉伸前及拉伸后的加工试样示意图分别如图2-1、图2-2和图4所示，其中：b0表示板材试样平行长度的原始尺寸，r为圆周直径(取值为15mm)，L0为原始标距，Lc为平行长度(取值为65mm)，Lt为试样总长度，Lu为断后标距，S0为平行长度的原始横截面积，Su为断后最小横截面积，m为试件板材的厚度，d0为试件标距段的宽度(取值为12.5mm)，L1取值为50.81mm，d1取值为25mm；试样头部形状仅为示意图，具体根据实验平台需求进行设计；
混合气体组分确定为氢气，甲烷，掺氢比为90％，总压力为6MPa。首先在反应釜中放入试件，之后利用真空泵将反应釜抽至真空，充入甲烷至常压条件。根据以下公式进行计算：
Figure BDA0003481286550000051
Figure BDA0003481286550000052
上式中，
Figure BDA0003481286550000053
为反应釜注入氢气浓度时的压力变化，MPa；P0为反应釜注入其他气体(与氢气混掺的气体)时的压力变化，MPa；P为掺氢环境下的总压力，MPa；
Figure BDA0003481286550000054
为反应釜内的氢气体积浓度的变化，％。0.1为其他气体(与氢气混掺的气体)所占的常压值。
Figure BDA0003481286550000055
Figure BDA0003481286550000056
解得，
Figure BDA0003481286550000057
P0＝0.51MPa
随后按照计算值分别充入氢气与甲烷，试件静置时间为一周，试件与氢气充分接触。
一周后，将充氢完成后的试件安装至慢应力试验机上，利用慢应力应变试验机对充氢试件进行力学性实验，拉伸速率为2mm/min，电脑端存储试件的载荷位移数据，同时增加一组无充氢工况组。
在试件拉伸断裂后，处理电脑端存储实验数据，包括载荷位移曲线，通过游标卡尺测量充氢试件及未充氢试件的标距部分伸长量，分析材料的氢脆敏感性。电脑端记录的载荷位移数据如图3所示。
通过游标卡尺测得充氢试件标距部分伸长量为16mm，未充氢试件标距部分伸长量为19mm，根据试件尺寸设计图可知标距原始长度为65mm，因此伸长率计算如下：
δ0＝19/65mm＝29.23％
δH＝16/65mm＝24.62％
氢脆指数为：
Figure BDA0003481286550000058

Claims (4)

1.一种可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据力学性测试标准和力学性测试平台的要求，设计材料试件尺寸，通过线切割以及抛光工艺加工材料试件；
步骤2、将经过步骤1加工的材料试件置于高压反应釜中，向高压反应釜内注入氢气，借助高压气体环境模拟不同条件的掺氢环境，改变高压反应釜内氢环境下的氢气浓度、压力和温度，根据分压法控制氢气浓度：
Figure FDA0003481286540000011
Figure FDA0003481286540000012
上式中，
Figure FDA0003481286540000013
为向高压反应釜内注入氢气时的压力变化，单位为MPa；P0为向高压反应釜内注入其他气体时的压力变化，单位为MPa；P为掺氢环境下的总压力，单位为MPa；
Figure FDA0003481286540000014
为高压反应釜内的氢气体积浓度的变化值，为百分数；0.1为其他气体所占的常压值，单位为MPa；
进行材料试件充氢；
步骤3、利用慢应力应变拉伸试验机来测试充氢后的材料试件力学性，记录充氢后的材料试件的拉伸量以及载荷位移数据，进行氢脆敏感性及应力应变曲线分析。
2.根据权利要求1所述可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法，其特征在于：步骤1中力学性测试标准为标准GB228；材料试件的厚度大于3mm，板材试件的总长度小于200mm。
3.根据权利要求1所述可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法，其特征在于：步骤2中将高压反应釜内氢环境下的氢气浓度设定在0～100％内，压力设定在0～10MPa，温度设定在300℃。
4.根据权利要求1所述可以模拟多种掺氢环境下的材料适用性测试方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：
步骤3.1、利用慢应力应变拉伸试验机对充氢后的材料试件进行力学性实验，在10-6～10mm/min之间无级调节拉伸速率，并存储充氢后的材料试件的载荷位移数据；
步骤3.2、设置未充氢的材料试件对照组，并用游标卡尺测量充氢后的材料试件和未充氢的材料试件标距部分的伸长率；
步骤3.3、根据记录的充氢后的材料试件的拉伸量来计算其氢脆敏感性：
Figure FDA0003481286540000021
上式中，δHE为以伸长率表征的氢脆敏感指数，为百分数；δ0为拉伸后的材料试件在空气中的伸长率，为百分数；δH为充氢且拉伸后的材料试件的伸长率，为百分数。
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