CN114441104B - 一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢气储运设备的制造检测技术，旨在提供一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法。该测试方法包括：由底座和压盖构成试验腔体，内置O形圈试样夹持架、变径管和挡圈；在O形圈试样夹持架的侧缘和上表面的凹槽内分别嵌装被测O形圈试样，进行静载暴露试验、循环压力疲劳试验和密封性能测试。本发明试验腔体体积小，用气量小；试验条件可满足非金属橡胶密封件实际服役工况；只需通过改变内部试样架的尺寸即可拓展试样规格参数，保证装置的安全性，降低试验成本，提高试验效率，解决现有非金属密封材料性能测试装置功能单一的问题。

Description

一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法
技术领域
本发明涉及氢气储运设备的制造检测技术，具体涉及一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法。
背景技术
随着环境污染和能源短缺问题的日益凸显，优化能源结构和保障能源安全至关重要。氢能作为新世纪重要的二次能源，具有来源多样、清洁高效、可储存再生等优点，是推进各国产业发展的重要能源之一。
非金属密封件广泛应用于氢能产业链的各个环节，如储氢容器、氢气压缩机、加氢枪分离装置、阀门等，是高压氢系统安全可靠运行的关键部件之一。橡胶O形圈密封是高压氢系统非金属密封的常见形式。由于氢气易溶于橡胶密封材料，橡胶密封件在高压力、宽温域的服役条件中易发生机械性能和理化性能变化，产生吸氢膨胀、鼓泡断裂、挤压断裂、高温老化、压缩永久变形等损伤现象，造成密封失效，引发氢气泄漏和爆炸等严重事故。因此，为确保高压氢系统长期、安全、稳定、可靠的运行，有必要评估和测试高压氢气环境下非金属密封件的性能。
要进行高压氢对非金属橡胶密封件性能影响的研究，需要提出高压氢系统密封件性能测试的相关方法并开展试验研究。现有文献中主要开展液体、空气、氧气等介质环境下非金属密封件性能研究，同时对高压氢环境下密封材料性能的研究居多，实际服役工况下非金属橡胶密封件性能研究相对较少。目前国内外无专门的高压氢系统密封件性能测试标准，仅有部分氢能标准规范中涉及到密封件性能测试的内容。国内外研究机构虽然开展了非金属密封材料及密封件在高压氢环境中性能测试的试验研究，但试验压力和温度范围有限，低于实际应用工况；装置功能单一，无法实现多种类型试验；试验腔体相对较大，试验效率低。因此本发明提出一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法，旨在解决这些问题，为高压氢系统密封件选用及结构设计提供参考依据。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法，该测试方法是基于下述试验系统实现的：
所述试验系统包括供气系统、增压系统、制冷加热系统、控制系统、高低温环境箱和试验腔体；试验腔体设于高低温环境箱内部，供气系统通过管路依次连接增压系统和试验腔体，制冷加热系统通过管路接至高低温环境箱并构成冷媒和热媒的循环回路；控制系统通过信号线连接其它各系统实现监测与控制；
所述试验腔体由底座和压盖构成；其中，底座呈上端开口的圆筒形，沿侧壁由上至下依次设有环向的第一台阶和第二台阶，第一台阶的径向尺寸大于第二台阶；在第二台阶以下的侧壁表面设有螺纹，在底座的底板上设有轴向贯通的进/排气口；圆形的压盖位于底座的开口端内侧，两者侧壁之间为带有密封的间隙配合；压盖的上表面与驱动机构相连，能驱使压盖在底座内进行轴向位移；
在试验腔体中设有O形圈试样夹持架、变径管和挡圈；其中，O形圈试样夹持架是具有轴向通孔的一体式结构，包括上部的圆柱段和下部的圆台段；挡圈呈环形结构，其内外侧缘均设有密封件；变径管包括上部的凸环段和下部的圆环段，是一体式的环状结构，其内侧壁具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段；O形圈试样夹持架的圆柱段下缘位于所述底座侧壁的第一台阶上，其圆台段套装在变径管的凸环段内，且两者为间隙配合；所述挡圈位于变径管与底座侧壁之间，其下缘位于所述底座侧壁的第二台阶上；变径管圆环段的外缘设有螺纹，与所述底座侧壁表面的螺纹相互配合实现安装；
在O形圈试样夹持架的圆台段侧缘，设有环向的凹槽，该凹槽用于嵌装被测O形圈试样一；在O形圈试样夹持架的圆柱段上表面，设有环向的凹槽，该凹槽用于嵌装被测O形圈试样二；在压盖和底座上，设有多个用作抽真空口和监测口的贯通通道；
所述测试方法包括针对O形圈试样的静载暴露试验、循环压力疲劳试验和密封性能测试，具体步骤包括：
(1.1)分离底座和压盖，在O形圈试样夹持架的侧缘和上表面的凹槽内分别嵌装被测O形圈试样一和被测O形圈试样二；
根据拟施加的压缩率调整变径管的安装高度，将O形圈试样夹持架的圆台段套装在相应的变径节段内；如变径管与底座的底板相接，应在底板上安装密封圈；如变径管不与底座的底板相接，则应在变径管与底座侧壁之间安装挡圈；
复位压盖后，根据试验预设的压缩量控制驱动电机的运行时间，使压盖压紧O形圈试样夹持架；
(1.2)使用真空泵对试验腔体及连接管路抽真空，然后关闭真空泵；
(1.3)开启制冷加热系统，调节升温或降温速率，将试验温度预调至设定温度的±0.1℃范围内；
(1.4)在进行静载暴露试验时，通过底座底板上的进/排气口以设定速率输入高压氢气使密封腔体内的压力增至设定值，然后维持至设定时长；对各抽真空口和监测口再次抽真空，使与之相连的通道中没有残余气体；再次调试试验温度，保持在设定值的±1℃范围内；
在进行循环压力疲劳试验时，以设定的压力循环参数和循环次数对试验腔体进行循环增压；
(1.5)利用连接至各监测口的压力传感器和氢气传感器监测密封泄漏通道中的压力变化曲线及氢气浓度变化曲线；
(1.6)试验完成后，开启进/排气口连接管路上的卸压阀，卸除试验腔体的内部压力，对试验腔体和连接管路抽真空；通过控制系统调节制冷加热系统，使高低温环境箱内的温度恢复室温；拆卸试验腔体，取出被测O形圈试样；
(1.7)通过高倍显微镜观察被测O形圈试样的微观形貌，通过绘制泄漏通道压力变化曲线和氢浓度变化曲线，确定被测O形圈试样在高压氢环境下的损伤现象和密封性能。
作为本发明的优选方案，所述试验腔体还包括圆柱体试样夹持架和环形垫块；在移除O形圈试样夹持架、变径管和挡圈之后，将圆柱体试样夹持架的下缘设于底座侧缘的第二台阶上，环形垫块位于圆柱体试样夹持架与底座的底板之间用于支承；在圆柱体试样夹持架的上表面设有至少两个凹陷的沉孔，用于放置被测圆柱体试样；圆柱体试样夹持架具有至少一个轴向的贯通通道，其上端与设于圆柱体试样夹持架上表面的水平槽相连，水平槽连接所述沉孔用于实现通气；
所述测试方法还进一步包括针对圆柱体试样进行压缩永久变形性能的测试，具体包括下述步骤：
(2.1)从试验腔体中取出O形圈试样夹持架、变径管和挡圈，然后装入垫块和圆柱体试样夹持架；在圆柱体试样夹持架上表面的沉孔中装入圆柱体试样，且保持两者轴向一致；
复位压盖后，根据试验预设的压缩量控制驱动电机的运行时间，使压盖压紧圆柱体试样；
(2.2)使用真空泵对试验腔体及连接管路抽真空，关闭真空泵；
(2.3)开启制冷加热系统，调节升温或降温速率，将试验温度预调至设定温度的±0.1℃范围内；
(2.4)在进行静载氢气下的压缩永久变形试验时，通过底座底板上的进/排气口以设定速率增压，将密封腔体内的压力增至设定值并维持至设定时长，使恒定压缩状态的被测圆柱体试样处于固定压力的高压氢环境中；
在进行循环压力的压缩永久变形试验时，以设定的压力循环参数和循环次数对试验腔体进行循环增压；使恒定压缩状态的被测圆柱体试样处于循环压力的高压氢环境中；
(2.5)利用连接至各监测口的压力传感器监测试验腔体中的压力变化曲线；
(2.6)试验完成后，开启进/排气口连接管路上的卸压阀，卸除试验腔体的内部压力，对试验腔体和连接管路抽真空；通过控制系统调节制冷加热系统，使高低温环境箱内的温度恢复室温；拆卸试验腔体，取出圆柱体试样并测量其压缩永久变形值。
作为本发明的优选方案，所述压盖的侧缘设有环向的凹槽，凹槽内嵌装O形圈和矩形密封垫圈；所述O形圈试样夹持架的圆柱段侧缘设有环向的凹槽，凹槽内嵌装O形圈。；所述O形圈试样夹持架的圆柱段下缘设有凸出的限位环，限位环的径向尺寸所述第一台阶相配合。
作为本发明的优选方案，所述挡圈的内外侧缘各设两条相互平行的环形凹槽，在凹槽中分别嵌装O形圈；在环形凹槽之间设有至少两条贯通的径向通孔，分别与设于底座侧壁上的抽真空口和监测口连通。
作为本发明的优选方案，在与变径管的圆环段底面相对应的底座底板上设有两条同心的环形凹槽，在凹槽中分别嵌装O形圈；在两条O形圈之间设有抽真空口和监测口。
作为本发明的优选方案，所述驱动机构包括驱动电机和丝杆，丝杆套装在支座上的螺纹孔中，其两端分别连接驱动电机的输出轴和压盖的上表面；驱动电机固定安装在支撑板上，且其输出轴贯穿支撑板；支撑板与压盖之间通过至少两根光杆固定连接，光杆穿过支座上的通孔且两者之间为间隙配合；支座装在支架上，实现驱动机构的稳固安装。
作为本发明的优选方案，所述供气系统包括氢气瓶组和氩气瓶组；氢气瓶组和供气瓶组与增压系统的低压缓冲罐的进气口相连；所述试验腔体中的进/排气口通过置换管路与氩气瓶组连接。
作为本发明的优选方案，所述增压系统包括气动增压泵、真空泵、高压缓冲罐和低压缓冲罐；低压缓冲罐、气动增压泵、高压缓冲罐依次相连，高压缓冲罐的排气口与试验腔体的进/排气口连通，进/排气口设有回路连接至低压缓冲罐以形成回路；真空泵的进气口与试验腔体中各抽真空口连接。
作为本发明的优选方案，所述高低温环境箱是带盘管的夹套式结构；由制冷加热系统向盘管提供冷媒，向夹套提供热媒，从而为所述试验腔体提供-40℃～180℃范围内的任意温度环境。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在本发明所述试验装置中，O形圈试样夹持架的圆台段套装在变径管的凸环段内，能够通过调整变径管的轴向安装位置和压盖与变径管的轴向位移，从而改变O形圈试样夹持架在变径管中的相对位置，进而实现无需更换试验装置配件即可调节O形圈试样的压缩率；同时，也可以通过压盖的轴向位移实现对设于O形圈试样夹持架上表面的试样施加可调节的压缩量。
2、本发明中O形圈试样夹持架在圆柱段上表面和凸台段侧缘两个部位分别设置凹槽用于嵌装样品，可实现不同压缩率、不同应用场景(轴向密封和径向密封)下O形圈试样的性能测试，解决了现有非金属密封材料性能测试装置功能单一的问题。
3、本发明的试验腔体体积小，用气量小；试验条件可满足非金属橡胶密封件实际服役工况；只需通过改变内部试样架的尺寸即可拓展试样规格参数，保证了装置的安全性，降低了试验成本，提高试验效率。
4、本发明结构简单，安装方便，可用于高温高压氢气环境下非金属密封件适用性的快速筛选。
附图说明
图1为本发明的总体装置示意图；
图2为本发明中被测径向O形圈试样30％压缩率的试验腔体结构剖视图；
图3为图2中部位Ι的局部放大图；
图4为图2中部位Ⅱ的局部放大图；
图5为本发明中被测径向O形圈试样10％压缩率的试验腔体结构剖视图；
图6为图5中部位Ⅲ的局部放大图；
图7为图5中部位Ⅳ的局部放大图；
图8为本发明中被测圆柱体试样的试验腔体结构剖视图；
图9是本发明中变径管的结构剖视图及局部放大图。
图中的附图标记为：1低压缓冲罐；2控制系统；3制冷加热系统；4高低温环境箱；5试验腔体；6真空泵；7高压缓冲罐；8气动增压泵；9氢气瓶组；10氩气瓶组；11支架；12支座；13支撑板；14驱动电机；15丝杆；16光杆；17压盖；18监测口一；19O形圈一；20O形圈二；21监测口二；22O形圈三；23监测口三；24O形圈四；25挡圈；26变径管；27抽真空口一；28进/排气口；29底座；30抽真空口二；31O形圈试样夹持架；32被测O形圈试样一；33O形圈五；34O形圈六；35抽真空口三；36抽真空口四；37被测O形圈试样二；38矩形密封垫圈；39抽真空口五；40O形圈七；41监测口四；42O形圈八；43被测圆柱体试样一；44被测圆柱体试样二；45圆柱体试样夹持架；46垫块。
具体实施方式
本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明中在高压氢环境下进行非金属密封件性能测试的试验系统，包括供气系统、增压系统、制冷加热系统、控制系统、高低温环境箱和试验腔体；试验腔体设于高低温环境箱内部，供气系统通过管路依次连接增压系统和试验腔体，制冷加热系统通过管路接至高低温环境箱并构成冷媒和热媒的循环回路；控制系统通过信号线连接其它各系统实现监测与控制。
供气系统包括氢气瓶组9和氩气瓶组10；氢气瓶组9和供气瓶组10与增压系统的低压缓冲罐1的进气口相连；试验腔体5中的进/排气口28通过置换管路与氩气瓶组10连接。增压系统包括气动增压泵8、真空泵6、高压缓冲罐7和低压缓冲罐1；低压缓冲罐1、气动增压泵8、高压缓冲罐7依次相连，高压缓冲罐7的排气口与试验腔体5的进/排气口28连通，进/排气口28设有回路连接至低压缓冲罐1以形成回路；真空泵6的进气口与试验腔体5中各抽真空口连接。高低温环境箱4是带盘管的夹套式结构；由制冷加热系统3向盘管提供冷媒，向夹套提供热媒，从而为试验腔体5提供适当的温度环境。
如图2-9所示，用于高压氢气环境下非金属密封件性能测试的试验装置，包括用于构成试验腔体5的底座29和压盖17；底座29呈上端开口的圆筒形，沿其侧壁由上至下依次设有环向布置的第一台阶和第二台阶，第一台阶的径向尺寸大于第二台阶；在第二台阶以下的侧壁表面设有螺纹，在底座29的底板上设有轴向贯通的进/排气口28；圆形的压盖17位于底座29的开口端内侧，压盖17的侧缘设有环向的凹槽，凹槽内嵌装O形圈一19和矩形密封垫圈38，用于实现带密封的间隙配合；压盖17的上表面与驱动机构相连，能驱使压盖17在底座29内进行轴向位移。
驱动机构包括驱动电机14和丝杆15，丝杆15套装在支座12中心位置的螺纹孔中，其两端分别连接驱动电机14的输出轴和压盖17的上表面；驱动电机14固定安装在支撑板13上，且其输出轴贯穿支撑板13；支撑板13与压盖17之间通过4根对称布置在螺纹孔四周的光杆16固定连接，光杆16穿过支座12上的通孔且两者之间为间隙配合；支座12装在支架11上，实现驱动机构的稳固安装。
在试验腔体中设有O形圈试样夹持架31、变径管26和挡圈25；其中，O形圈试样夹持架31是具有轴向通孔的一体式结构，包括上部的圆柱段和下部的圆台段；O形圈试样夹持架31的圆柱段下缘位于底座29侧壁的第一台阶上，其圆台段套装在变径管26的凸环段内，且两者为间隙配合；在O形圈试样夹持架31的圆台段侧缘，设有环向的凹槽，该凹槽用于嵌装被测O形圈试样一32；O形圈试样夹持架31的圆柱段侧缘设有环向的凹槽，凹槽内嵌装O形圈二20；圆柱段下缘还设有凸出的限位环，限位环的径向尺寸所述第一台阶相配合。在O形圈试样夹持架31的圆柱段上表面，设有环向的凹槽，该凹槽用于嵌装被测O形圈试样二37。
挡圈25呈环形结构，位于变径管26与底座29的侧壁之间，其下缘位于第二台阶上；挡圈25的内外侧缘各设两条相互平行的环形凹槽，分别嵌装一个O形圈；在环形凹槽之间设有两条贯通的径向通孔，分别与设于底座29侧壁上的抽真空口三35和监测口三23连通。
变径管26包括上部的凸环段和下部的圆环段，是一体式的环状结构，其内侧壁具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段(如图9所示)；变径管26圆环段的外缘设有螺纹，与底座29侧壁表面的螺纹相互配合实现安装；在与变径管26的圆环段底面相对应的底座29底板上设有两条同心的环形凹槽，在凹槽中分别嵌装O形圈七40、O形圈八42；在两条O形圈之间设有抽真空口二30和监测口四41。
在压盖17和底座29侧壁上，还设有多个用作抽真空口和监测口的贯通通道。
该试验装置还包括圆柱体试样夹持架45和环形垫块46，用于替换所述O形圈试样夹持架31、变径管26和挡圈25。圆柱体试样夹持架45的下缘设于底座29侧缘的第二台阶上，垫块46位于圆柱体试样夹持架45与底座29的底板之间用于支承；在圆柱体试样夹持架45的上表面设有至少两个凹陷的沉孔，用于放置被测圆柱体试样；圆柱体试样夹持架45具有至少一个轴向的贯通通道，其上端与设于圆柱体试样夹持架45上表面的水平槽相连，水平槽连接所述沉孔用于实现通气。
更为细化的实施例内容如下所述：
图1中，试验用氢气的氢气瓶组9及提供管路系统置换用惰性气体的氩气瓶组10共同连至气动增压泵8，气动增压泵8与高压缓冲罐7相连，高压缓冲罐7内的高压气体通过高低温环境箱4的输气管路被送至试验腔体5，试样腔体5又与低压缓冲罐1相连，使整个供气系统形成回路。示例性地，高压缓冲罐7和低压缓冲罐1均使用抗氢脆材料316L制造，高压缓冲罐7的设计压力为99MPa，低压缓冲罐的设计压力为1MPa。真空泵6可以使得试验腔体5中的真空度达到设定值，制冷加热系统3为高低温环境箱4提供冷媒和热媒，位于非氢气区域。制冷加热系统3采用复叠式制冷和电热丝加热模块，其控制范围为-40℃～180℃，温度控制精度为±0.1℃，整个系统由控制系统2监测和控制。
增压系统可对试验腔体5以设定速率和参数增压、循环增压及抽真空；高低温环境箱4通过空气对流及热传导相结合的方式，使试验腔体5内部气体与高低温环境箱4内的温度保持一致；高低温环境箱4内部安装有防爆型风扇，通过强制对流传热的方式调节环境箱内部压力。试验腔体5内壁和外部延伸管路处均设有温度传感器和压力传感器，用于监测试验腔体5内部的温度和压强。控制系统2用于控制供气管路、高低温环境箱中的温度控制系统的运行，并实时采集试验系统各传感器反馈的测量值。试验腔体5的设计压力为140MPa，设计温度为-40℃/180℃，其主体部分由抗氢性能良好的奥氏体不锈钢制造；试验腔体5内部、进/排气口28、管路各处均设置有压力传感器，并通过控制系统2进行信号采集。试验腔体5内部、进/排气口28、试验腔体5外壁、高低温环境箱4内部均设置有温度传感器，并通过控制系统2进行实时信号监控。被测非金属O形圈试样最大内径为10～140mm，被测非金属圆柱体试样最大规格Φ29mm×12.5mm。
参阅图2，试验腔体5的主体包括不可移动的底座29和可移动的压盖17，两者成中空腔体。驱动电机14、支撑板13、光杆16、丝杆15、支架11、支座12共同组成驱动压盖17移动的驱动机构。底座29呈上端开口的圆筒形，其侧壁自上向下设有环向布置的第一台阶和第二台阶，第二台阶以下的侧壁表面设有螺纹。侧壁上设有监测口二21、监测口三23和抽真空口三35、抽真空口四36，监测口与外部压力、温度和氢气传感器相连，用于监测被测径向密封泄漏通道的氢气压力、氢气温度及氢气浓度变化。底座29底板的上表面开有2个环形沟槽，用于安装O形圈七40和O形圈八42；在两者之间设置监测口四41和抽真空口二30，监测口四41与外部压力和氢气传感器连接，用于监测试验腔体的高压腔和径向密封泄漏通道无气体泄漏到O形圈七40和O形圈八42之间，确保密封结构有效。底座29的底部设置贯通的进/排气口28和抽真空口27，可通过抽真空口27对试验腔体5抽真空。
驱动电机14安放在支撑板13上，支撑板13的下表面连接有4根光杆16，光杆的另一端与压盖17连接；支撑板13中心处开有通孔，丝杆15穿过通孔，一端与电机转轴连接，另一端与压盖17连接；支座12开有4个通孔和1个螺纹孔，通孔与光杆16配合，螺纹孔与丝杆15螺纹连接。驱动电机14转动时，电机转轴带动丝杆15转动，丝杆15底部轴承将周向运动变为直线运动，带动压盖17沿轴向移动。根据电机转轴转动角度和丝杆的螺距可以计算压盖17的轴向位移，进而对被测O形圈试样二37或被测圆柱体试样一43、被测圆柱体试样二44施加不同压缩量。压盖17是圆形板，设有轴向贯通的监测口一18和抽真空口五39，监测口一18与外部压力传感器、温度传感器及氢气传感器相连，用于监测被测轴向密封泄漏通道的氢气压力、氢气温度及氢气浓度变化；压盖17侧缘的外表面开有沟槽，用于安装O形圈一19和矩形密封垫圈38。
参阅图2，在底座29和压盖17构成的试验腔体5中，可选有三种安装方式：
(1)如图2所示，安装有O形圈试样夹持架31、O形圈二20、变径管26、被测O形圈试样一32、被测O形圈试样二37，以及挡圈25、O形圈三22、O形圈四24、O形圈五33、O形圈六34；该安装方式适用于O形圈的静载暴露试验、循环压力疲劳试验和密封性能测试，测试中被测O形圈试样一32的径向压缩率较大。
(2)如图5所示，安装有O形圈试样夹持架31、O形圈二20、变径管26、被测O形圈试样一32、被测O形圈试样二37，以及O形圈七40和O形圈八42；此时，取掉了挡圈25及所附带的O形圈；该安装方式适用于O形圈的静载暴露试验、循环压力疲劳试验和密封性能测试，测试中被测O形圈试样一32的径向压缩率最小。
(3)如图8所示，安装有圆柱体试样夹持架45、垫块46、被测圆柱体试样一43、被测圆柱体试样二44；此时，取掉了O形圈试样夹持架31、变径管26、挡圈25及所附带的O形圈。该安装方式适用于块状试样(如圆柱体试样)的压缩永久变形试验。
O形圈试样夹持架31是由上部的圆柱段和下部的圆台段组成的一体式结构，坐落在底座29的第一台阶上；圆柱段下表面设置限位台阶，与底座29第一台阶上侧的内壁接触；圆柱段的中心设有通孔用于试验气体的传输；圆柱段侧缘的外表面设置沟槽，用于安装O形圈二20，将被测径向密封泄漏通道与被测轴向密封泄漏通道隔离；在圆台段的侧缘表面和圆柱段的上表面分别设置环形沟槽，分别用于安装被测O形圈试样一32和被测O形圈试样二37，实现不同应用场景、不同压缩率下非金属密封件试样的性能研究。
变径管26包括下部的圆环段和上部的凸环段两部分，中心为贯穿的通孔用于套装O形圈试样夹持架31下部的圆台段。圆环段外表面设置螺纹，与底座29的内螺纹配合，实现轴向位置可调；参阅图9，变径管26的内径沿轴向发生变化，具有3种规格，其内缘表面与底座上表面、O形圈试样夹持架31凸台下表面沟槽共同形成密封腔；当沿轴向调整变径管26的位置时，变径管26内侧的径向宽度发生变化，可对被测O形圈试样一32分别实现压缩率10％、20％、30％条件下的测试。当变径管26底面与底座表面保持间距时，需要以挡圈25参与密封，此时变径管26凸环段的外表面与挡圈25内表面的2个沟槽形成密封腔，参阅图3。当变径管26底面与底座表面接触以便对被测O形圈试样一32施加最小压缩率时，由于已无法安装挡圈25，需要在底座29的上表面安装O形圈七40和O形圈八42以实现密封。当然，变径管26内径不限于示例的三种情况，可以根据需要设置更多的变径等级；压缩率也不限于上述三个数值，可根据需要进行设计。
挡圈25是矩形截面环，安装于底座29侧壁的第二台阶上，其内、外表面分别开有2个上下并列的沟槽，分别安装O形圈四24和O形圈五33、O形圈三22和O形圈六34，用于密封隔离试验腔体的高压腔和被测径向密封泄漏通道；在其上下沟槽之间开有监测口三23和抽真空口三35；监测口三23与外部压力和氢气传感器连接，监测试验腔体的高压腔和径向密封泄漏通道无气体泄漏到挡圈25上下密封圈之间，确保密封结构有效及被测径向密封泄漏监测值的准确性。参阅图2，当对被测O形圈试样一32施加30％或20％压缩率，变径管26凸台外表面与挡圈25内表面形成密封腔，安装O形圈三22、O形圈四24、O形圈五33和O形圈六34能实现密封，此时无需安装O形圈七40和O形圈八42。
参阅图8，圆柱体试样夹持架45安装在底座29的第二台阶上，其上表面开有直径和高度不同的沉孔，用于安装不同规格的被测圆柱体试样一43和被测圆柱体试样二44；其下表面开设多个进气口，安装试样的沉孔之间开设直通孔，直通孔与进气口连接，进行气体传输。垫块46包括凸台和圆柱体两部分，对圆柱体试样夹持架45起增高和支撑作用，凸台的设计用于垫块46的安装和拆卸；中心开设通孔，垫块46的圆柱体外表面设有螺纹，用于与底座29内螺纹连接。
利用该装置能完成的试验种类包括静载暴露试验、循环压力疲劳试验、密封性能测试及压缩永久变形试验。对于O形圈试样，在进行静载暴露试验或循环压力疲劳试验的同时能够检测其密封性能，所以静载暴露试验或循环压力疲劳试验可与密封性能测试同时进行，如图2、图5所示。
试验方法的示例：
本发明所述的测试方法包括针对O形圈试样的静载暴露试验、循环压力疲劳试验和密封性能测试，以及针对圆柱体试样进行压缩永久变形性能的测试。
一、针对O形圈试样的试验步骤包括：
(1.1)分离底座29和压盖17，在O形圈试样夹持架31的侧缘和上表面的凹槽内分别嵌装被测O形圈试样一32和被测O形圈试样二37；
根据拟施加的压缩率调整变径管26的安装高度，将O形圈试样夹持架31的圆台段套装在相应的变径节段内；如变径管26与底座28的底板相接，应在底板上安装密封圈；如变径管26不与底座的底板相接，则应在变径管26与底座29的侧壁之间安装挡圈25；
复位压盖17后，根据试验预设的压缩量控制驱动电机14的运行时间，使压盖17压紧O形圈试样夹持架31；
(1.2)使用真空泵6对试验腔体5及连接管路抽真空，然后关闭真空泵6；
(1.3)开启制冷加热系统3，调节升温或降温速率，将试验温度预调至设定温度的±0.1℃范围内；
(1.4)在进行静载暴露试验时，通过底座29底板上的进/排气口28以设定速率输入高压氢气使密封腔体内5的压力增至设定值，然后维持至设定时长；对各抽真空口和监测口再次抽真空，使与之相连的通道中没有残余气体；再次调试试验温度，保持在设定值的±1℃范围内；
在进行循环压力疲劳试验时，以设定的压力循环参数和循环次数对试验腔体5进行循环增压；
(1.5)利用连接至各监测口的压力传感器和氢气传感器监测密封泄漏通道中的压力变化曲线及氢气浓度变化曲线；
(1.6)试验完成后，开启进/排气口28连接管路上的卸压阀，卸除试验腔体5的内部压力，对试验腔体5和连接管路抽真空；通过控制系统2调节制冷加热系统3，使高低温环境箱4内的温度恢复室温；拆卸试验腔体5，取出被测O形圈试样；
(1.7)通过高倍显微镜观察被测O形圈试样的微观形貌，通过绘制泄漏通道压力变化曲线和氢浓度变化曲线，确定被测O形圈试样在高压氢环境下的损伤现象和密封性能。
二、针对圆柱体试样进行压缩永久变形性能的测试，具体包括下述步骤：
(2.1)从试验腔体5中取出O形圈试样夹持架31、变径管26和挡圈25，然后装入垫块46和圆柱体试样夹持架45；在圆柱体试样夹持架45上表面的沉孔中装入圆柱体试样，且保持与圆柱体试样夹持架45轴向一致；
复位压盖17后，根据试验预设的压缩量控制驱动电机14的运行时间，使压盖17压紧圆柱体试样；
(2.2)使用真空泵6对试验腔体5及连接管路抽真空，关闭真空泵6；
(2.3)开启制冷加热系统3，调节升温或降温速率，将试验温度预调至设定温度的±0.1℃范围内；
(2.4)在进行静载氢气下的压缩永久变形试验时，通过底座29底板上的进/排气口28以设定速率增压，将密封腔体5内的压力增至设定值并维持至设定时长，使恒定压缩状态的被测圆柱体试样处于固定压力的高压氢环境中；
在进行循环压力的压缩永久变形试验时，以设定的压力循环参数和循环次数对试验腔体进行循环增压；使恒定压缩状态的被测圆柱体试样处于循环压力的高压氢环境中；
(2.5)利用连接至各监测口的压力传感器监测试验腔体中的压力变化曲线；
(2.6)试验完成后，开启进/排气口28连接管路上的卸压阀，卸除试验腔体5的内部压力，对试验腔体5和连接管路抽真空；通过控制系统2调节制冷加热系统3，使高低温环境箱4内的温度恢复室温；拆卸试验腔体5，取出圆柱体试样并测量其压缩永久变形值。
以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种高压氢气环境下非金属密封件性能的测试方法，其特征在于，该测试方法是基于下述试验系统实现的：
所述试验系统包括供气系统、增压系统、制冷加热系统、控制系统、高低温环境箱和试验腔体；试验腔体设于高低温环境箱内部，供气系统通过管路依次连接增压系统和试验腔体，制冷加热系统通过管路接至高低温环境箱并构成冷媒和热媒的循环回路；控制系统通过信号线连接其它各系统实现监测与控制；
所述试验腔体由底座和压盖构成；其中，底座呈上端开口的圆筒形，沿侧壁由上至下依次设有环向的第一台阶和第二台阶，第一台阶的径向尺寸大于第二台阶；在第二台阶以下的侧壁表面设有螺纹，在底座的底板上设有轴向贯通的进/排气口；圆形的压盖位于底座的开口端内侧，两者侧壁之间为带有密封的间隙配合；压盖的上表面与驱动机构相连，能驱使压盖在底座内进行轴向位移；
在试验腔体中设有O形圈试样夹持架、变径管和挡圈；其中，O形圈试样夹持架是具有轴向通孔的一体式结构，包括上部的圆柱段和下部的圆台段；挡圈呈环形结构，其内外侧缘均设有密封件；变径管包括上部的凸环段和下部的圆环段，是一体式的环状结构，其内侧壁具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段；O形圈试样夹持架的圆柱段下缘位于所述底座侧壁的第一台阶上，其圆台段套装在变径管的凸环段内，且两者为间隙配合；所述挡圈位于变径管与底座侧壁之间，其下缘位于所述底座侧壁的第二台阶上；变径管圆环段的外缘设有螺纹，与所述底座侧壁表面的螺纹相互配合实现安装；
在O形圈试样夹持架的圆台段侧缘，设有环向的凹槽，该凹槽用于嵌装被测O形圈试样一；在O形圈试样夹持架的圆柱段上表面，设有环向的凹槽，该凹槽用于嵌装被测O形圈试样二；在压盖和底座上，设有多个用作抽真空口和监测口的贯通通道；
所述测试方法包括针对O形圈试样的静载暴露试验、循环压力疲劳试验和密封性能测试，具体步骤包括：
(1.1)分离底座和压盖，在O形圈试样夹持架的侧缘和上表面的凹槽内分别嵌装被测O形圈试样一和被测O形圈试样二；
根据拟施加的压缩率调整变径管的安装高度，将O形圈试样夹持架的圆台段套装在相应的变径节段内；如变径管与底座的底板相接，应在底板上安装密封圈；如变径管不与底座的底板相接，则应在变径管与底座侧壁之间安装挡圈；
复位压盖后，根据试验预设的压缩量控制驱动电机的运行时间，使压盖压紧O形圈试样夹持架；
(1.2)使用真空泵对试验腔体及连接管路抽真空，然后关闭真空泵；
(1.3)开启制冷加热系统，调节升温或降温速率，将试验温度预调至设定温度的±0.1℃范围内；
(1.4)在进行静载暴露试验时，通过底座底板上的进/排气口以设定速率输入高压氢气使密封腔体内的压力增至设定值，然后维持至设定时长；对各抽真空口和监测口再次抽真空，使与之相连的通道中没有残余气体；再次调试试验温度，保持在设定值的±1℃范围内；
在进行循环压力疲劳试验时，以设定的压力循环参数和循环次数对试验腔体进行循环增压；
(1.5)利用连接至各监测口的压力传感器和氢气传感器监测密封泄漏通道中的压力变化曲线及氢气浓度变化曲线；
(1.6)试验完成后，开启进/排气口连接管路上的卸压阀，卸除试验腔体的内部压力，对试验腔体和连接管路抽真空；通过控制系统调节制冷加热系统，使高低温环境箱内的温度恢复室温；拆卸试验腔体，取出被测O形圈试样；
(1.7)通过高倍显微镜观察被测O形圈试样的微观形貌，通过绘制泄漏通道压力变化曲线和氢浓度变化曲线，确定被测O形圈试样在高压氢环境下的损伤现象和密封性能。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述试验腔体还包括圆柱体试样夹持架和环形垫块；在移除O形圈试样夹持架、变径管和挡圈之后，将圆柱体试样夹持架的下缘设于底座侧缘的第二台阶上，环形垫块位于圆柱体试样夹持架与底座的底板之间用于支承；在圆柱体试样夹持架的上表面设有至少两个凹陷的沉孔，用于放置被测圆柱体试样；圆柱体试样夹持架具有至少一个轴向的贯通通道，其上端与设于圆柱体试样夹持架上表面的水平槽相连，水平槽连接所述沉孔用于实现通气；
所述测试方法还进一步包括针对圆柱体试样进行压缩永久变形性能的测试，具体包括下述步骤：
(2.1)从试验腔体中取出O形圈试样夹持架、变径管和挡圈，然后装入垫块和圆柱体试样夹持架；在圆柱体试样夹持架上表面的沉孔中装入圆柱体试样，且保持两者轴向一致；
复位压盖后，根据试验预设的压缩量控制驱动电机的运行时间，使压盖压紧圆柱体试样；
(2.2)使用真空泵对试验腔体及连接管路抽真空，关闭真空泵；
(2.3)开启制冷加热系统，调节升温或降温速率，将试验温度预调至设定温度的±0.1℃范围内；
(2.4)在进行静载氢气下的压缩永久变形试验时，通过底座底板上的进/排气口以设定速率增压，将密封腔体内的压力增至设定值并维持至设定时长，使恒定压缩状态的被测圆柱体试样处于固定压力的高压氢环境中；
在进行循环压力的压缩永久变形试验时，以设定的压力循环参数和循环次数对试验腔体进行循环增压；使恒定压缩状态的被测圆柱体试样处于循环压力的高压氢环境中；
(2.5)利用连接至各监测口的压力传感器监测试验腔体中的压力变化曲线；
(2.6)试验完成后，开启进/排气口连接管路上的卸压阀，卸除试验腔体的内部压力，对试验腔体和连接管路抽真空；通过控制系统调节制冷加热系统，使高低温环境箱内的温度恢复室温；拆卸试验腔体，取出圆柱体试样并测量其压缩永久变形值。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述压盖的侧缘设有环向的凹槽，凹槽内嵌装O形圈和矩形密封垫圈；所述O形圈试样夹持架的圆柱段侧缘设有环向的凹槽，凹槽内嵌装O形圈；所述O形圈试样夹持架的圆柱段下缘设有凸出的限位环，限位环的径向尺寸所述第一台阶相配合。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述挡圈的内外侧缘各设两条相互平行的环形凹槽，在凹槽中分别嵌装O形圈；在环形凹槽之间设有至少两条贯通的径向通孔，分别与设于底座侧壁上的抽真空口和监测口连通。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在与变径管的圆环段底面相对应的底座底板上设有两条同心的环形凹槽，在凹槽中分别嵌装O形圈；在两条O形圈之间设有抽真空口和监测口。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机和丝杆，丝杆套装在支座上的螺纹孔中，其两端分别连接驱动电机的输出轴和压盖的上表面；驱动电机固定安装在支撑板上，且其输出轴贯穿支撑板；支撑板与压盖之间通过至少两根光杆固定连接，光杆穿过支座上的通孔且两者之间为间隙配合；支座装在支架上，实现驱动机构的稳固安装。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述供气系统包括氢气瓶组和氩气瓶组；氢气瓶组和供气瓶组与增压系统的低压缓冲罐的进气口相连；所述试验腔体中的进/排气口通过置换管路与氩气瓶组连接。
8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述增压系统包括气动增压泵、真空泵、高压缓冲罐和低压缓冲罐；低压缓冲罐、气动增压泵、高压缓冲罐依次相连，高压缓冲罐的排气口与试验腔体的进/排气口连通，进/排气口设有回路连接至低压缓冲罐以形成回路；真空泵的进气口与试验腔体中各抽真空口连接。
9.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述高低温环境箱是带盘管的夹套式结构；由制冷加热系统向盘管提供冷媒，向夹套提供热媒，从而为所述试验腔体提供-40℃～180℃范围内的任意温度环境。
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