CN114739887A - 变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置及方法，包括高分子材料层，还包括，测试件，包括高压变温仓和低压变载仓，高压变温仓通过高分子材料层与低压变载仓连通，其中，高压变温仓，连通一供氢件，供氢件上设置有监测件；夹持件，设置在高压变温仓上，高分子材料层可拆卸连接在夹持件内；施力件，设置在低压变载仓内，施力件与高分子材料层靠近低压变载仓的端面抵接。本发明能够实现提供一种基于稳态法的考虑交变荷载和热力耦合作用的气体渗透性测试仪器，从而满足开发高性能低渗密封层材料的实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料测试技术领域，特别是涉及一种变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置及方法。
背景技术
在新的历史发展时期，结合氢气储能技术消除可再生能源对时间、季节的依赖性，是实现减碳目标的重要战略途径。内衬式岩洞(LRC) 洞室内部不与周围地质环境接触，处于较为纯净的气体混合状态，不存在残留油气成分、湿润黏土、毛细作用等其他地下孔隙结构中的复杂环境，可以保证采出气体较高的纯度，是较为理想的氢能存储体系。
目前，内衬式岩洞(LRC)储气系统的建造技术和封存理念尚不适用于大规模氢能存储，密封层材料对于氢气的阻渗作用机理和耐腐蚀性能有待进一步研究。在开展高分子密封材料对氢气的渗透性测试过程中发现，传统测试装备无法兼具储、放气过程中的交变荷载和热力学耦合作用。在研究不同高分子密封材料的力学性能和换热、导热性能及其对渗透性的影响规律过程中发现，目前亟需研发一种基于稳态法的考虑交变荷载和热力耦合作用的气体渗透性测试仪器，满足开发高性能低渗密封层材料的实际需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现提供一种基于稳态法的考虑交变荷载和热力耦合作用的气体渗透性测试仪器，从而满足开发高性能低渗密封层材料的实际需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，包括高分子材料层，还包括，
测试件，包括高压变温仓和低压变载仓，所述高压变温仓通过所述高分子材料层与所述低压变载仓连通，其中，
高压变温仓，连通一供氢件，所述供氢件上设置有监测件；
夹持件，设置在所述高压变温仓上，所述高分子材料层可拆卸连接在所述夹持件内；
施力件，设置在所述低压变载仓内，所述施力件与所述高分子材料层靠近所述低压变载仓的端面抵接。
优选的，所述高压变温仓位于一T型供气筒内，所述T型供气筒外套设有两端封堵的支撑筒，所述T型供气筒顶端与所述支撑筒内壁固接并对所述支撑筒进行分隔，所述T型供气筒上方为所述低压变载仓，所述高分子材料层通过所述夹持件与所述T型供气筒顶端可拆卸连接。
优选的，所述供氢件包括设置在所述支撑筒外的氢气存储罐，所述氢气存储罐通过供气管与所述T型供气筒内连通。
优选的，所述夹持件包括密封盖板，所述密封盖板位于所述高分子材料层远离所述高压变温仓的一侧，所述密封盖板与所述高分子材料层抵接，所述密封盖板通过密封螺栓与所述T型供气筒顶端可拆卸连接。
优选的，所述密封盖板与所述高分子材料层之间设置有橡胶垫，所述橡胶垫两端分别与所述密封盖板和所述高分子材料层接触。
优选的，所述施力件包括与所述支撑筒顶端内壁固接的千斤顶，所述千斤顶活动端连接有球形端头，所述球形端头上周向设置有若干加载杆，所述加载杆与所述球形端头固接，所述加载杆末端铰接有施力滑块，所述密封盖板上开设有若干滑道，所述施力滑块位于所述滑道内，且所述施力滑块与所述滑道相适配。
优选的，所述施力滑块顶端通过连接块固接有转轴，所述转轴与所述连接块转动连接，所述加载杆末端与所述转轴固接。
优选的，所述监测件包括设置在所述供气管上的球阀和压力计，所述低压变载仓出气端连通有出气管，所述出气管上设置有流量计。
变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置的使用方法，操作步骤包括：
S1、固定高分子材料层：将高分子材料层放置在高压变温仓顶端，随后固定夹持件；
S2、施加作用力：启动施力件，向高分子材料层施力；
S3、开始测试：启动供氢件，向高压变温仓内通入氢气，并对监测件的数据进行观察。
本发明公开了以下技术效果：
1.通过设置夹持件，使得高分子材料层可以较为容易的被固定，且固定效果较好，提高了高压保温仓与低压变载仓之间的密封性，从而提高了测试的精确性。
2.通过施力件与高压变温仓配合，在保证氢气渗透性精确测试的前提下可在测试过程中对密封材料施加交变荷载和温度荷载，实现对不同高分子密封材料的力学性能和换热、导热性能及其对渗透性的影响规律研究，拓展了材料渗透性测试的应用范围和约束条件，有效推动了高性能、低渗透性材料的开发工作。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为测试装置的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为施力件与夹持件连接关系的立体图；
图4为施力件的立体图；
图5为密封盖板的立体图；
图6为加载杆与施力滑块连接关系的立体图；
图7为T型供气筒与堵块连接关系示意图；
其中，1-高分子材料层，2-高压变温仓，3-低压变载仓，4-T型供气筒，5-支撑筒，6-氢气存储罐，7-供气管，8-密封盖板，9-密封螺栓，10-橡胶垫，11-千斤顶，12-球形端头，13-加载杆，14-施力滑块，15-滑道，16-连接块，17-转轴，18-球阀，19-压力计，20- 出气管，21-流量计，22-温度传感器，23-温控管道，24-温控箱，25- 堵块，26-加固杆，27-缓冲钢瓶，28-螺栓孔。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-7，本发明提供一种变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，包括高分子材料层1，还包括，测试件，包括高压变温仓2和低压变载仓3，高压变温仓2通过高分子材料层1与低压变载仓3连通，其中，高压变温仓2，连通一供氢件，供氢件上设置有监测件；夹持件，设置在高压变温仓2上，高分子材料层1可拆卸连接在夹持件内；施力件，设置在低压变载仓3内，施力件与高分子材料层1靠近低压变载仓3的端面抵接。
通过夹持件将高分子材料层1固定在高压变温仓2上，随后通过供氢件向高压变温仓2内通入氢气，高压变温仓2内的压力增大，氢气通过高分子材料层1进入低压变载仓3内，在此过程中，施力件对高分子材料层1进行施力，在高分子材料层1受到不同外力的影响下测试其性能。
本发明的一个实施例中，高压变温仓2内应当可调节温度。具体的，高压变温仓2内设置有温度传感器22和温控管道23，温控管道 23连通有温控箱24，温控箱24位于高压变温仓2外。温度传感器 22的设置，使得高压变温仓2内的温度可受到实时监控，通过温控箱24和温控管道23的配合，对高压变温仓2内的温度进行调节，该种设置一方面可实现对同一高分子材料层1在不同温度下的性能进行测试。另一方面，高压变温仓2可模拟真实的环境温度，以测得高分子材料层1在该环境温度下的性能，从而提高了本装置的适用范围。
本发明的一个实施例中，根据实际测试需求，高压变温仓2可位于低压变载仓3上方或者下方。
进一步优化方案，高压变温仓2位于一T型供气筒4内，T型供气筒4外套设有两端封堵的支撑筒5，T型供气筒4顶端与支撑筒5 内壁固接并对支撑筒5进行分隔，T型供气筒4上方为低压变载仓3，高分子材料层1通过夹持件与T型供气筒4顶端可拆卸连接。T型供气筒4的顶端相对于T型供气筒4其余部分尺寸较大，T型供气筒4 顶端与支撑筒5内壁接触并对支撑筒5进行分隔，在对支撑筒5进行分隔后，T型供气筒4上方部分为低压变载仓3，而供氢件将氢气通入T型供气筒4内，通过T型供气筒4顶端的开口和设置在T型供气筒4顶端的高分子材料层1渗入低压变载仓3内。
本发明的一个实施例中，支撑筒5两端优先通过堵块25进行封堵，T型供气筒4底端与一堵块25固接，以使得T型供气筒4仅有一出气端，而另一堵块25的作用是对施力件进行支撑，以使得施力件正常工作。
本发明的一个实施例中，两堵块25之间优选但不限于固接有加固杆26，加固杆26的存在是为了提高两堵块25之间的连接效果，此外，对两堵块25起到连接效果的其他结构也可使用，例如加固筒，在此不做过多赘述。
进一步优化方案，供氢件包括设置在支撑筒5外的氢气存储罐6，氢气存储罐6通过供气管7与T型供气筒4内连通。氢气存储罐6提供氢气，并通过供气管7将氢气导入高压变温仓2内。
本发明的一个实施例中，供气管7上连通一缓冲钢瓶27。由于氢气存储罐6内的氢气为高压氢气，为了便于对融入高压变温仓2内的氢气进行控制，因此设置缓冲钢瓶27，使得通入高压变温仓2内的氢气得到控制。
进一步优化方案，夹持件包括密封盖板8，密封盖板8位于高分子材料层1远离高压变温仓2的一侧，密封盖板8与高分子材料层1 抵接，密封盖板8通过密封螺栓9与T型供气筒4顶端可拆卸连接。将高分子材料层1放置在T型供气筒4顶端，通过固定密封盖板8对高分子材料层1进行固定。
本发明的一个实施例中，密封盖板8的大小优选与高分子材料层 1相同，以提高对高分子材料层1的固定效果。
本发明的一个实施例中，密封盖板8上开设有若干与密封螺栓9 相匹配的螺栓孔28，同时，在T型供气筒4顶端和高分子材料层上也分别开设有与密封螺栓9相匹配的安装孔，将密封螺栓9穿过螺栓孔28和安装孔，随后将密封螺栓9与T型供气筒4顶端固接，即完成了对高分子材料层1的固定。
进一步优化方案，密封盖板8与高分子材料层1之间设置有橡胶垫10，橡胶垫10两端分别与密封盖板8和高分子材料层1接触。在密封盖板8与高分子材料层1之间增设橡胶垫10，一方面提高高分子材料层1的固定效果，另一方面，提高高分子材料层1与高压变温仓2的密封效果。
进一步优化方案，施力件包括与支撑筒5顶端内壁固接的千斤顶 11，千斤顶11活动端连接有球形端头12，球形端头12上周向设置有若干加载杆13，加载杆13与球形端头12固接，加载杆13末端铰接有施力滑块14，密封盖板8上开设有若干滑道15，施力滑块14位于滑道15内，且施力滑块14与滑道15相适配。控制千斤顶11施力或卸力实现对高分子材料层1变化张力的施加，同时考虑高压变温仓 2的温度变化，并通过监测件监测渗透气体总量，实现交变荷载和热力耦合作用的稳态法高分子材料气体渗透性测试。滑道15对若干施力滑块14进行限位，使其有效对高分子材料层1施力。
本发明的一个实施例中，球形端头12可固定在千斤顶11的活动端上，或者，球形端头12顶端与千斤顶11活动端抵接，当施力滑块 14位于滑道15内后，球形端头12被支撑，通过千斤顶11对球形端头12施加压力，其均可实现对高分子材料层1施加压力。
进一步优化方案，施力滑块14顶端通过连接块16固接有转轴 17，转轴17与连接块16转动连接，加载杆13末端与转轴17固接。转轴17和连接块16配合，使得加载杆13可有效作用在施力滑块14 上。
进一步优化方案，监测件包括设置在供气管7上的球阀18和压力计19，低压变载仓3出气端连通有出气管20，出气管20上设置有流量计21。球阀18对供气管7的排除氢气两进行控制，而压力计19 对供气管7不同位置的压力进行监测。出气管20内的流量计21对进入低压变载仓3内的气体流量进行监测，以得到所需的测试数据。
变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置的使用法，操作步骤包括：
S1、固定高分子材料层1：将高分子材料层1放置在高压变温仓 2顶端，随后固定夹持件。高分子材料层1放置在T型供气筒4顶端，并使得高分子材料层1和T型供气筒4上的安装孔对应，随后在高分子材料层1顶端放置橡胶垫10，再将密封盖板8放置在橡胶垫10顶端，并通过密封螺栓9进行固定。
S2、施加作用力：启动施力件，向高分子材料层1施力。将施力滑块14置入滑道15内，随后启动千斤顶11，通过加载杆13对施力滑块14施加压力，从而实现对高分子材料层1施力的目的。
S3、开始测试：启动供氢件，向高压变温仓2内通入氢气，并对监测件的数据进行观察。启动温控箱24，对高压变温仓2内的温度进行调节，调节完毕后，启动各监测器件和氢气存储罐6，向高压变温仓2内通入氢气，并在此过程中记录得到的各项数据。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，包括高分子材料层(1)，其特征在于：还包括，
测试件，包括高压变温仓(2)和低压变载仓(3)，所述高压变温仓(2)通过所述高分子材料层(1)与所述低压变载仓(3)连通，其中，
高压变温仓(2)，连通一供氢件，所述供氢件上设置有监测件；
夹持件，设置在所述高压变温仓(2)上，所述高分子材料层(1)可拆卸连接在所述夹持件内；
施力件，设置在所述低压变载仓(3)内，所述施力件与所述高分子材料层(1)靠近所述低压变载仓(3)的端面抵接。
2.根据权利要求1所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述高压变温仓(2)位于一T型供气筒(4)内，所述T型供气筒(4)外套设有两端封堵的支撑筒(5)，所述T型供气筒(4)顶端与所述支撑筒(5)内壁固接并对所述支撑筒(5)进行分隔，所述T型供气筒(4)上方为所述低压变载仓(3)，所述高分子材料层(1)通过所述夹持件与所述T型供气筒(4)顶端可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述供氢件包括设置在所述支撑筒(5)外的氢气存储罐(6)，所述氢气存储罐(6)通过供气管(7)与所述T型供气筒(4)内连通。
4.根据权利要求2所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述夹持件包括密封盖板(8)，所述密封盖板(8)位于所述高分子材料层(1)远离所述高压变温仓(2)的一侧，所述密封盖板(8)与所述高分子材料层(1)抵接，所述密封盖板(8)通过密封螺栓(9)与所述T型供气筒(4)顶端可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述密封盖板(8)与所述高分子材料层(1)之间设置有橡胶垫(10)，所述橡胶垫(10)两端分别与所述密封盖板(8)和所述高分子材料层(1)接触。
6.根据权利要求4所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述施力件包括与所述支撑筒(5)顶端内壁固接的千斤顶(11)，所述千斤顶(11)活动端连接有球形端头(12)，所述球形端头(12)上周向设置有若干加载杆(13)，所述加载杆(13)与所述球形端头(12)固接，所述加载杆(13)末端铰接有施力滑块(14)，所述密封盖板(8)上开设有若干滑道(15)，所述施力滑块(14)位于所述滑道(15)内，且所述施力滑块(14)与所述滑道(15)相适配。
7.根据权利要求6所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述施力滑块(14)顶端通过连接块(16)固接有转轴(17)，所述转轴(17)与所述连接块(16)转动连接，所述加载杆(13)末端与所述转轴(17)固接。
8.根据权利要求3所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：所述监测件包括设置在所述供气管(7)上的球阀(18)和压力计(19)，所述低压变载仓(3)出气端连通有出气管(20)，所述出气管(20)上设置有流量计(21)。
9.变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置的使用方法，基于权利要求1所述的变温变载稳态法高分子材料氢气渗透性测试装置，其特征在于：操作步骤包括：
S1、固定高分子材料层(1)：将高分子材料层(1)放置在高压变温仓(2)顶端，随后固定夹持件；
S2、施加作用力：启动施力件，向高分子材料层(1)施力；
S3、开始测试：启动供氢件，向高压变温仓(2)内通入氢气，并对监测件的数据进行观察。
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