CN114486504A - 一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料力学性能测试领域，旨在提供一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具。该夹具包括：夹头座、塞头、碟形弹簧、至少一个压板，以及压紧法兰；塞头装入待测钢管的端部，待测钢管依次穿过压紧法兰、压板和碟形弹簧；压紧法兰紧固安装在夹头座的沉孔外侧，将压板、轴承钢球和碟形弹簧依次压紧在沉孔中。本发明利用轴承钢球对钢管管壁产生夹紧力，受力面积小，夹紧力集中，使待测钢管不易滑脱。并且在夹紧过程中，轴承钢球会自动沿中心轴对称分布，保证了拉伸过程中待测钢管不会偏心，同时夹持处管壁环向受力较为均匀，不会造成管壁撕裂。在拉伸过程中，轴承钢球对管壁产生夹紧力形成自锁；碟形弹簧始终能确保持续夹紧，不发生滑脱。

Description

一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具

技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域，特别涉及一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具。

背景技术

小管径钢管(公称外径<26mm)是加氢站、车载高压氢系统中关键的输氢设备，但其材料(尤其是焊接部位材料)在高压氢气、载荷等的共同作用下可能出现因高压氢脆引起的力学性能劣化现象，严重威胁高压氢系统的安全。开展高压氢环境下的原位拉伸试验是获得材料抗氢脆性能的有效手段，已被引入国内外高压氢系统相关标准中。然而对于高压氢系统用小管径钢管，由于其直径较小，无法从管壁上获取标准圆棒拉伸试样。一种可行的替代方法是截取全尺寸的钢管作为拉伸试样，而如何对小管径钢管进行有效、可靠的夹持，便成为高压氢环境原位拉伸试验成功与否的关键问题。

现有技术中，对小管径钢管的夹持方法主要有三种。第一种方法参照ASTM E8，把实心塞头塞入待测钢管夹持端，然后用钳口式夹具夹持。这种方法利用V形或齿形钳口与管壁之间的摩擦力来充当拉力，然而V形或齿形钳口对管壁的环向作用力不均匀，极易造成试样夹持端损伤，在高压氢环境下损伤的效应将被放大，导致试样夹持端管壁被钳口撕裂，试验成功率低，并且高压氢环境拉伸试验机一般不具备钳口夹具。此外，由于试样两端被实心塞头堵住，导致氢气无法进入钢管内部，这与实际服役工况不符，测试数据缺乏真实性。第二种方法是在第一种方法的基础上，先将套筒套在待测钢管夹持端，再用钳口等夹具夹持，利用套筒内壁与管壁之间的摩擦力来充当拉力。这种方法虽然避免了钳口对管壁造成损伤，但套筒内壁与管壁均为光滑面，试样在拉伸过程中易发生滑脱。第三种方法把螺套焊接在待测钢管两端，再把螺套拧入加载杆的螺纹连接装置进行拉伸试验。这种方法利用螺套与管壁之间的角焊缝承担拉伸的反作用力，然而焊缝金属比母材具有更复杂的微观组织，使其表现出更高的氢脆敏感性，导致试样在高压氢环境下极易在角焊缝处发生断裂，且焊接质量对焊工的技术水平依赖性强。

综上所述，现有高压氢环境下小管径钢管拉伸试验夹持方法存在夹持端管壁易被撕裂、无法模拟真实工况、试样易滑脱等问题，导致试验成功率低，故提出本发明的内容。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种装夹方便、可靠性高、设计合理的高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具，以解决现有高压氢环境下小管径钢管拉伸试验夹持方法成功率低的问题。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具，包括：夹头座，在其一端设有沉孔，与沉孔相对的另一端用于连接拉伸试验机的加载杆；在夹头座上设有轴向贯通的通道；塞头，用于装入待测钢管的端部，与钢管内壁为间隙配合且保留通气通道，该通气通道与夹头座的轴向通道相接；碟形弹簧，其中央设有圆形通孔，用于套装在钢管的端部；至少一个压板，其中央设有贯通的锥形孔，用于套装在钢管上；若干个轴承钢球，嵌装在每个压板锥形孔与钢管侧壁构成的楔形槽中；楔形槽的开口朝向夹头座的沉孔底部，轴承钢球内切于楔形槽；压紧法兰，其中央设有通孔，用于套装在钢管上；所述压紧法兰紧固安装在夹头座的沉孔外侧，将压板、轴承钢球和碟形弹簧依次压紧在沉孔中。

作为本发明的优选方案，所述夹头座的主体外形呈正六棱柱，其沉孔为圆柱形；在与沉孔相对的端部设有空心螺柱，用于螺接至加载杆上的螺纹连接装置。

作为本发明的优选方案，所述塞头的主体呈圆柱形，其外壁设轴向开槽或切面；或者，所述塞头的主体呈多棱柱状。

作为本发明的优选方案，所述压板有2-4个；压板锥形孔的内锥面锥度<1:0.5。

作为本发明的优选方案，所述轴承钢球的外侧露出楔形槽，并与碟形弹簧或前一片压板的表面接触；轴承钢球外露部分的高度≥0.6mm；在单个楔形槽内，轴承钢球之间的间隙总量≥2mm。

作为本发明的优选方案，所述压紧法兰中的通孔为圆柱形；在压紧法兰的内侧表面设有圆柱形凸台，凸台嵌入在夹头座的沉孔中。

作为本发明的优选方案，压紧法兰的凸台与夹头座沉孔为间隙配合，最大间隙≤0.1mm。

作为本发明的优选方案，在夹头座的沉孔外围环向均布多个螺纹孔，在压紧法兰的通孔外围环向均布多个安装孔，压紧法兰通过穿过安装孔的六角螺栓固定在夹头座上。

作为本发明的优选方案，压紧法兰的安装孔大于夹头座的螺纹孔，其孔径之差≥1mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用轴承钢球对钢管管壁产生夹紧力，受力面积小，夹紧力集中，使待测钢管不易滑脱。并且在夹紧过程中，轴承钢球会自动沿中心轴对称分布，保证了拉伸过程中待测钢管不会偏心，同时夹持处管壁环向受力较为均匀，不会造成管壁撕裂。

2、在拉伸过程中，随着钢管管壁与压板产生相对移动，轴承钢球在管壁摩擦力的作用下向楔形槽内滚动，使得轴承钢球向管壁一侧的径向位移增大，进而对管壁产生更大的夹紧力，形成自锁。此外，碟形弹簧始终对压板产生压紧力，即使试验过程中压紧法兰发生轻微松动，也能确保轴承钢球持续夹紧钢管管壁，不发生滑脱。

3、夹头座顶部加工有螺柱，可直接与现有高压氢环境试验机加载杆的螺纹连接装置相连接，无需另外设计连接装置，且螺柱中心通孔、塞头侧面开槽，使得试验过程中，氢气可以进入待测钢管内部，增加了测试数据的真实性。

4、夹头座外壁的结构为正六棱柱，在拧紧六角螺栓时，可采用扳手等工具将夹头座固定，装夹方便；试验结束后，只需拧下六角螺栓，卸下压紧法兰，压板和轴承钢球随即自动脱落，拆卸方便。

附图说明

图1附图为本发明一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具的结构示意图；

图2附图为结构示意图的A-A剖面图；

图3附图为结构示意图的B-B剖面图。

图中的附图标记为：1-加载杆连接装置、2-夹头座、3-碟形弹簧、4-轴承钢球、5-上压板、6-中压板、7-下压板、8-塞头、9-压紧法兰、10-六角螺栓、11-待测钢管。

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。

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述。

如图1-3所示，本发明中的高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具，包括：夹头座2、塞头8、碟形弹簧3、至少一个压板、若干个轴承钢球4，以及压紧法兰9。

夹头座2的主体外形呈正六棱柱，在其一端设有圆柱形沉孔，在与沉孔相对的端部设有空心螺柱，用于螺接至加载杆上的螺纹连接装置；在夹头座上设有轴向贯通的通道(包括螺柱部分)用于通气。

塞头8用于装入待测钢管11的端部，与钢管内壁为间隙配合。其主体呈圆柱形，在外壁设轴向开槽或切面；或者，塞头8的主体采用多棱柱状设计。这样可以保留通气通道，该通气通道与夹头座的轴向通道相接，保证钢管内腔与高压氢试验箱之间能够通气。

碟形弹簧3的中央设有圆形通孔，用于套装在钢管的端部；

2-4个压板，其中央设有贯通的锥形孔，用于套装在钢管上；锥形孔的内锥面锥度<1:0.5。

若干个轴承钢球4，在每个压板锥形孔与钢管侧壁构成的楔形槽中，分别嵌装多个轴承钢球。楔形槽的开口朝向夹头座2的沉孔底部，轴承钢球4内切于楔形槽；轴承钢球4的外侧露出楔形槽，并与碟形弹簧3或前一片压板的底面接触；轴承钢球4外露部分的高度≥0.6mm；在单个楔形槽内，轴承钢球4之间的间隙总量≥2mm。

压紧法兰9，其中央设有圆柱形的通孔，用于套装在钢管上；压紧法兰9的内侧表面设有圆柱形凸台，凸台嵌入在夹头座2的沉孔中且为间隙配合，最大间隙≤0.1mm。压紧法兰9紧固安装在夹头座2的沉孔外侧，将压板、轴承钢球4和碟形弹簧3依次压紧在沉孔中。在夹头座2的沉孔外围环向均布多个螺纹孔，在压紧法兰9的通孔外围环向均布多个安装孔，压紧法兰9通过穿过安装孔的六角螺栓10固定在夹头座2上。压紧法兰9的安装孔大于夹头座2的螺纹孔，其孔径之差≥1mm。

更为具体的实施例描述：

如图1所示，在夹头座2内沿垂直方向同轴分布着套住待测钢管11端部的碟形弹簧3、上压板5、中压板6、下压板7；上压板5、中压板6、下压板7锥形孔的内锥面与待测钢管11的外壁面构成楔形槽，槽内嵌有轴承钢球4；压紧法兰9的凸台与夹头座2的沉孔采用间隙配合，其凸台面与下压板7的底面接触；六角螺栓10穿过压紧法兰9，与夹头座2连接。把塞头8塞入待测钢管11的两端，把轴承钢球4嵌入上压板5、中压板6、下压板7与管壁之间的楔形槽内，再把六角螺栓10拧紧，在压紧法兰9轴向的压紧力作用下，轴承钢球4被不断挤入楔形槽内，同时向钢管管壁一侧产生径向的位移，进而紧紧夹住钢管管壁，最后通过夹头座2顶部的螺柱与试验机加载杆的螺纹连接装置相连接，进行高压氢环境下的小管径钢管拉伸试验。

夹头座2的材料为GCr15等高强度轴承钢，经热处理使其硬度≥40HRC；主体外形呈正六棱柱，在其一端设有圆柱形沉孔，在与沉孔相对的端部设有空心螺柱，其外螺纹与试验机加载杆的螺纹连接装置相匹配；其沉孔外围环向加工有六个均布的螺纹孔。碟形弹簧3位于夹头座内壁的顶端，材料为60Si2MnA等弹簧钢；结构形式根据国家标准GB/T 1972-2005《碟形弹簧》选取。上压板5、中压板6、下压板7结构尺寸完全相同，依次置于碟形弹簧下方；材料均为GCr15等高强度轴承钢，经热处理使其硬度≥60HRC；结构均为空心内锥圆柱体，内锥面锥度<1:0.5。轴承钢球4的材料为GCr15等，在楔形槽以外部分的高度≥0.6mm；单个楔形槽内，轴承钢球之间的间隙总量≥2mm；上压板5、中压板6、下压板7的楔形槽内的轴承钢球4分别与碟形弹簧3、上压板5、中压板6的底面接触。压紧法兰9的材料为GCr15等高强度轴承钢，经热处理使其硬度≥40HRC；中央加工有圆柱形通孔，内侧表面加工有圆柱形凸台；其通孔外围环向加工有六个均布的安装孔，安装孔孔径与夹头座螺纹孔大径之差≥1mm。压紧法兰9的凸台与夹头座2的沉孔采用间隙配合，确保最大间隙≤0.1mm，用于实现中心自动定位。六角螺栓材料为8.8级以上高强钢，头部为外六角。塞头8的材料为通用金属塞头用钢，主体部分为圆柱体，头部为圆台结构，侧面开有V形槽。

一个具体实验过程中的数据：

待测钢管11外径6.2mm，壁厚2.1mm，长度80mm。在加载杆连接装置1加工有螺纹孔，规格M12。夹头座2材料为GCr15高强钢，硬度40HRC；主体外形为正六棱柱，高度22mm，底面对角长度40mm；沉孔为圆柱形，高度17mm，底面直径20mm，直径公差代号H7；沿环向加工有六个均布的螺纹孔，规格M6，孔深15mm；顶部中心加工有空心螺柱，规格M12，高度18mm，通孔直径2mm。碟形弹簧3置于夹头座2内壁的顶部；材料为60Si2MnA；根据国家标准GB/T 1972-2005《碟形弹簧》，选取规格14×7.2×0.8。上压板5、中压板6、下压板7结构尺寸完全相同，依次置于碟形弹簧3下方；材料均为GCr15，硬度60HRC；结构均为空心内锥圆柱体，高度4mm，底面直径19mm，内锥面锥度1:0.87，内锥面最小直径7mm。轴承钢球4材料为GCr15；直径2mm；内切于楔形槽，在楔形槽以外部分的高度0.8mm；单个楔形槽内嵌有11颗轴承钢球，轴承钢球之间的间隙总量3.74mm。压紧法兰9总高度8mm，底面直径40mm，中心通孔直径7mm；顶部加工有圆柱形凸台，高度4mm，底面直径20mm，直径公差代号e8；沿环向加工有六个均布的安装孔，直径7mm。六角螺栓10材料为12.9级高强钢；规格M6，长度16mm，头部为外六角。塞头8材料为45#钢；主体部分为圆柱体，高度14mm，底面直径2mm；头部为圆台结构，高度2mm，锥度1:2；侧面开有60°V形槽，槽深0.5mm。

示例性的试验步骤如下：

第一步，将塞头8塞入待测钢管11的上下两端；

第二步，将压紧法兰9、下压板7、中压板6、上压板5、碟形弹簧3按顺序依次套入待测钢管11的上端；

第三步，在上压板5、中压板6、下压板7与钢管管壁构成的三个楔形槽内，分别嵌入11颗轴承钢球4；

第四步，将待测钢管11的上端塞入夹头座2内，用扳手钳住夹头座2的外壁，同时拧紧六角螺栓10，完成待测钢管11上端的夹持；

第五步，重复步骤二至步骤四，完成待测钢管11下端的夹持；

第六步，将夹头座2固定在加载杆连接装置1上，进行高压氢环境下的小管径钢管拉伸试验。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，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 (9)

1.一种高压氢环境下小管径钢管拉伸试验用夹具，其特征在于，包括：

夹头座，在其一端设有沉孔，与沉孔相对的另一端用于连接拉伸试验机的加载杆；在夹头座上设有轴向贯通的通道；

塞头，用于装入待测钢管的端部，与钢管内壁为间隙配合且保留通气通道，该通气通道与夹头座的轴向通道相接；

碟形弹簧，其中央设有圆形通孔，用于套装在钢管的端部；

至少一个压板，其中央设有贯通的锥形孔，用于套装在钢管上；

若干个轴承钢球，嵌装在每个压板锥形孔与钢管侧壁构成的楔形槽中；楔形槽的开口朝向夹头座的沉孔底部，轴承钢球内切于楔形槽；

压紧法兰，其中央设有通孔，用于套装在钢管上；

所述压紧法兰紧固安装在夹头座的沉孔外侧，将压板、轴承钢球和碟形弹簧依次压紧在沉孔中。

2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹头座的主体外形呈正六棱柱，其沉孔为圆柱形；在与沉孔相对的端部设有空心螺柱，用于螺接至加载杆上的螺纹连接装置。

3.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述塞头的主体呈圆柱形，其外壁设轴向开槽或切面；或者，所述塞头的主体呈多棱柱状。

4.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述压板有2-4个；压板锥形孔的内锥面锥度<1:0.5。

5.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述轴承钢球的外侧露出楔形槽，并与碟形弹簧或前一片压板的表面接触；轴承钢球外露部分的高度≥0.6mm；在单个楔形槽内，轴承钢球之间的间隙总量≥2mm。

6.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述压紧法兰中的通孔为圆柱形；在压紧法兰的内侧表面设有圆柱形凸台，凸台嵌入在夹头座的沉孔中。

7.根据权利要求6所述的夹具，其特征在于，压紧法兰的凸台与夹头座沉孔为间隙配合，最大间隙≤0.1mm。

8.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，在夹头座的沉孔外围环向均布多个螺纹孔，在压紧法兰的通孔外围环向均布多个安装孔，压紧法兰通过穿过安装孔的六角螺栓固定在夹头座上。

9.根据权利要求8所述的夹具，其特征在于，压紧法兰的安装孔大于夹头座的螺纹孔，其孔径之差≥1mm。

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