CN115683536A - 一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明属于高超声速试验设备技术领域，公开了一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器。包括顺序连接的驱动段和被驱动段，分界面处设置有膜片，驱动段的前端通过封头封闭，被驱动段的后端连接喷管；驱动段为双层管体，管体内衬和外管之间采用过盈装配，管体内衬和外管之间设置有密封圈，管体内衬外壁上还设置有导流通道；封头为双层封头，从内至外依次为封头内衬和封头本体，封头内衬和封头本体之间设置有密封圈；驱动段和封头通过各自的开孔接管与外置的高压氢气源或者测量设备连接。外管和封头本体的材质为高强度合金钢，管体内衬和封头内衬的材质为抗氢合金。该高压氢气驱动器实现了未爆先漏，解决了氢致损伤可能引发的管体爆炸问题。

Description

一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器

技术领域

本发明属于高超声速试验设备技术领域，具体涉及一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器。

背景技术

激波风洞是利用激波压缩试验气体，然后通过定常膨胀方法产生高超声速试验气流的脉冲型试验装置。

激波风洞通常由驱动段、被驱动段、喷管、试验段等部段顺序连接而成。其中驱动段与被驱动段、被驱动段与喷管之间分别用膜片隔开，驱动段充入高压驱动气体，被驱动段充入较低压力的试验气体，喷管和试验段内抽成真空模拟空中环境，试验模型位于喷管出口的试验段内。然后控制驱动段与被驱动段之间的膜片(第一道膜)瞬间打开，形成强激波，压缩被驱动段的低压试验气体使其升温升压，激波压缩形成的高温高压试验气体打开被驱动段与喷管之间的膜片(第二道膜)，并喷管膨胀加速形成高马赫数试验气流。

激波强度是表征激波风洞驱动性能的参数之一，采用高压氢气作为驱动气体是提高风洞驱动性能的有效手段。氢气可以有效提升风洞驱动性能，但由于氢气很容易通过吸附、渗透、扩散进入材料内部，导致材料性能下降，发生氢致塑性损减、氢诱发裂纹、氢致延迟断裂、氢腐蚀等氢损伤(也属于广义上的氢脆)。驱动段长时间储存高压氢气，一旦管体材料发生氢损伤，可能导致发生氢气泄漏，甚至爆炸等重大事故。

解决高压氢气驱动器氢损伤问题常规的方法是采用单层抗氢脆的材料制造承压部件，但由于低强度的抗氢钢往往承压能力不足，高强度的抗氢钢承压能力高但制备难度大，难以用于制造大尺寸驱动器，且材料价格高昂；此外，在高压氢气作用下，单层管体制造的驱动器管体一旦萌发细小缺陷，裂纹将迅速扩展，可能引发管体爆炸等重大安全事故。因此，安全风险一直是制约高压氢气驱动器驱动压力和驱动性能提高的关键因素。

当前，亟需发展一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器，能够用于制造大型高压氢气驱动激波风洞和其他使用高压氢气驱动的装备。

本发明的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器包括顺序连接的驱动段和被驱动段，驱动段和被驱动段均为管段；驱动段和被驱动段的分界面处设置有膜片，驱动段的前端通过封头封闭，被驱动段的后端连接喷管；驱动段和封头上还分别开有若干个通孔，各通孔分别与外置的高压氢气源和测量设备连通；其特点是，所述的驱动段为双层管体，内层为管体内衬，外层为外管，管体内衬和外管之间采用过盈装配，管体内衬上设置有用于密封管体内衬和外管的密封圈，管体内衬的外壁上还设置有导流通道；驱动段上的通孔插入管体开孔接管，管体开孔接管插入的深度与外管的厚度相同，管体开孔接管的内径与通孔的内径相同，管体开孔接管与管体内衬之间密封；管体开孔接管与外置的高压氢气源或者测量设备连接；

封头为双层封头，从内至外依次为封头内衬和封头本体，封头内衬上设置有用于密封封头内衬和管体内衬的密封圈；封头上的通孔插入封头开孔接管，封头开孔接管插入的深度与封头本体的厚度相同，封头开孔接管的内径与通孔的内径相同，封头开孔接管与封头内衬之间密封；封头开孔接管与外置的高压氢气源或者测量设备连接；

外管和封头本体的材质为高强度合金钢，管体内衬和封头内衬的材质为抗氢合金。

进一步地，所述的驱动段的管体内衬和外管之间的过盈装配的过盈量为0.5‰～2‰分界面直径。

进一步地，所述的导流通道为正反螺旋形，采用多线螺旋线或者单线螺旋线，螺旋升角均不超过30°；导流通道的截面为半圆形、矩形、锥形或者椭圆形，导流通道的高度在装配后不堵塞导流通道，导流通道的高度的当量尺寸范围为0.1mm～2mm。

进一步地，所述的管体开孔接管和封头开孔接管均采用抗氢合金制造、通过螺纹固定连接。

本发明的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器具有以下优点：

a.驱动段管体和封头等主要承压部件采用双层结构，主要密封均设置在管体内衬上，使用时仅管体内衬接触高压氢气，解耦了抗氢和承压，降低了高强度抗氢合金尺寸规模，使大尺寸高压氢气驱动器制造具备工程可实现性，同时降低了建设成本。

b.驱动段管体和封头等主要承压部件采用双层结构，形成了物理分界面，内部裂纹扩展到内外层分界面将自动止裂，同时高压氢气可以从贯通裂纹流出，实现“未爆先漏”，为故障处理提供先机，能够避免管体爆炸等重大安全问题发生，实现关键承压设备本质安全。

c.驱动段管体的双层管体之间采用过盈装配，降低了驱动段管体内衬在使用过程中的应力水平，降低了驱动段管体内衬材料的氢损伤风险，以及裂纹萌生、扩展风险。

d.驱动段管体内衬外表面加工的导流通道使双层管体之间可能存在的氢气能够更顺畅的流出，导流通道采用正反多线螺旋线布局设计，能够进一步降低泄漏流动阻力，防止通道堵塞、局部积聚高压氢气。

本发明的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器从设计上实现了“未爆先漏”，解决了氢致损伤可能引发的管体爆炸等重大安全问题，提高了高压、超高压情况下，氢气驱动的安全性和可行性，为大尺寸高压氢气驱动器制造提供了可行的设计方案。

附图说明

图1为本发明的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器的结构原理示意图；

图2为本发明的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器中的导流槽示意图；

图3为本发明的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器中的导流槽的导流通道布局示意图；

图中，1.封头；101.封头本体；102.封头内衬；2.驱动段管体Ⅰ；201.驱动段管体Ⅰ外管；202.驱动段管体Ⅰ管体内衬；203.驱动段管体Ⅰ导流通道；3.驱动段管体Ⅱ；301.驱动段管体Ⅱ外管；302.驱动段管体Ⅱ管体内衬；4.驱动段管体N；401.驱动段管体N外管；402.驱动段管体N管体内衬；5.膜片；6.被驱动段；7.管体开孔接管；8.封头开孔接管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1

如图1～图3所示，本实施例的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器由封头1、驱动段、膜片5、被驱动段6、管体开孔接管7和封头开孔接管8组成；封头1与膜片5位于驱动段的两端，封头1、驱动段与膜片5组成封闭腔体，内部通过管体开孔接管7和封头开孔接管8充入高压氢气作为驱动气体，被驱动段6的后端连接喷管。

其中，驱动段包括从前至后顺序连接的驱动段管体Ⅰ2、驱动段管体Ⅱ3、……、驱动段管体N4，各段驱动段管体均为双层结构。驱动段管体Ⅰ2的外层为驱动段管体Ⅰ外管201，内层为驱动段管体Ⅰ管体内衬202；驱动段管体Ⅱ3的外层为驱动段管体Ⅱ外管301，内层为驱动段管体Ⅱ管体内衬302；驱动段管体N4的外层为驱动段管体N外管401，内层为驱动段管体N管体内衬402；

试验时，激波风洞控制系统迅速打开膜片5，高压驱动气体进入被驱动段6，驱动位于被驱动段6内的低压被驱动气体形成高温高压试验气体，高温高压试验气体从喷管喷出，完成试验。

下面详细介绍本实施例的高压氢气驱动器的部件：

封头1用于封堵驱动段前端管口，采用双层结构，包括封头本体101和封头内衬102，封头本体101采用高强度合金钢制造，用于承载驱动气体的内压，封头内衬102采用抗氢合金制造，封头1与驱动段之间的密封圈设置在封头内衬102上，正常工作时，仅封头内衬102接触高压氢气，封头本体101不接触高压氢气。

驱动段的管体均采用双层结构，并将密封圈设置在内层的管体内衬上，避免外层的外管直接接触氢气。以驱动段管体Ⅰ2为例，驱动段管体Ⅰ外管201采用高强度合金钢制造，主要起承压的作用；驱动段管体Ⅰ管体内衬202采用抗氢合金制造，主要起抗氢和隔氢的作用；驱动段管体Ⅰ外管201与驱动段管体Ⅰ管体内衬202采用过盈装配，过盈量取0.5‰～2‰分界面直径，过盈装配后，驱动段管体Ⅰ管体内衬202受到预压缩形成一定的压应力，可以抵消工作状态充入高压氢气后内压产生的拉应力，从而降低驱动段管体Ⅰ管体内衬202的应力水平，驱动段管体Ⅰ管体内衬202应力水平降低不仅可以降低驱动段管体Ⅰ管体内衬202的材料的氢损伤风险，同时还可减缓裂纹萌生及扩展速度，延长驱动段管体Ⅰ管体内衬202服役时间；驱动段的管体采用双层结构设计，在内层和外层之间形成物理分界面，即使驱动段管体Ⅰ管体内衬202在高压氢环境下发生裂纹且发生了快速扩展，当裂纹扩展贯穿至分界面时，由于物理分界面的存在，裂纹将自动止裂，高压氢气从贯通裂纹中渗透到内层和外层之间的分界面，并从分界面中流出，实现了结构设计上的“未爆先漏”，可以避免发生管体爆炸的重大风险；同时，为了方便泄漏的氢气快速流出，驱动段管体Ⅰ管体内衬202外表面加工正反螺旋形的驱动段管体Ⅰ导流通道203，驱动段管体Ⅰ导流通道203优先采用多线螺旋线，也可以采用单线螺旋线，螺旋升角均不超过30°，驱动段管体Ⅰ导流通道203宜采用半圆形截面，也可以采用矩形、锥形、椭圆形等截面形状，驱动段管体Ⅰ导流通道203的高度以装配后不堵塞通道为宜，当量尺寸范围为0.1mm～2mm。

管体开孔接管7安装在封头1上，封头开孔接管8安装在驱动段上，用于高压氢气驱动器的抽空、充气、泄压、测量等工作，管体开孔接管7和封头开孔接管8采用抗氢合金制造，通过螺纹固定连接；

密封圈设置在封头内衬102、驱动段管体Ⅰ管体内衬202、驱动段管体Ⅱ管体内衬302、驱动段管体N管体内衬402上，能够避免高压氢气通过通孔与高强度合金钢制造的封头本体101、驱动段管体Ⅰ外管201、驱动段管体Ⅱ外管301和驱动段管体N外管401接触引发材料氢致损伤的风险。

膜片5安装在驱动段与被驱动段6之间，用于封堵驱动段的后端管口。

被驱动段6安装在驱动段的下游，与驱动段通过膜片5隔开，试验前，被驱动段6内部填充低压被驱动气体；试验时，激波风洞控制系统迅速打开膜片5，高压驱动气体进入被驱动段6，驱动位于被驱动段6内的低压被驱动气体，使低压被驱动气体的压力、温度、速度大幅升高。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种降低氢损伤风险的高压氢气驱动器，所述的高压氢气驱动器包括顺序连接的驱动段和被驱动段(6)，驱动段和被驱动段(6)均为管段；驱动段和被驱动段(6)的分界面处设置有膜片(5)，驱动段的前端通过封头(1)封闭，被驱动段(6)的后端连接喷管；驱动段和封头(1)上还分别开有若干个通孔，各通孔分别与外置的高压氢气源和测量设备连通；其特征在于，所述的驱动段为双层管体，内层为管体内衬，外层为外管，管体内衬和外管之间采用过盈装配，管体内衬上设置有用于密封管体内衬和外管的密封圈，管体内衬的外壁上还设置有导流通道；驱动段上的通孔插入管体开孔接管(7)，管体开孔接管(7)插入的深度与外管的厚度相同，管体开孔接管(7)的内径与通孔的内径相同，管体开孔接管(7)与管体内衬之间密封；管体开孔接管(7)与外置的高压氢气源或者测量设备连接；

封头(1)为双层封头，从内至外依次为封头内衬(102)和封头本体(101)，封头内衬(102)上设置有用于密封封头内衬(102)和管体内衬的密封圈；封头(1)上的通孔插入封头开孔接管(8)，封头开孔接管(8)插入的深度与封头本体(101)的厚度相同，封头开孔接管(8)的内径与通孔的内径相同，封头开孔接管(8)与封头内衬(102)之间密封；封头开孔接管(8)与外置的高压氢气源或者测量设备连接；

外管和封头本体(101)的材质为高强度合金钢，管体内衬和封头内衬(102)的材质为抗氢合金。

2.根据权利要求1所述的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器，其特征在于，所述的驱动段的管体内衬和外管之间的过盈装配的过盈量为0.5‰～2‰分界面直径。

3.根据权利要求1所述的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器，其特征在于，所述的导流通道为正反螺旋形，采用多线螺旋线或者单线螺旋线，螺旋升角均不超过30°；导流通道的截面为半圆形、矩形、锥形或者椭圆形，导流通道的高度在装配后不堵塞导流通道，导流通道的高度的当量尺寸范围为0.1mm～2mm。

4.根据权利要求1所述的降低氢损伤风险的高压氢气驱动器，其特征在于，所述的管体开孔接管(7)和封头开孔接管(8)均采用抗氢合金制造、通过螺纹固定连接。

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