CN117054219A - 一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压氢气蠕变疲劳试验装置，包括：主机框架；加载驱动系统，用于提供试验所需的加载力；高温环境装置，高温环境装置设有抽真空接口与发热体，抽真空接口用于连接真空泵或氢气供给装置，发热体用于将高温环境装置内部加热至450℃至900℃的范围内，真空泵用于将高温环境装置内部压强提高至1.01Mpa至2Mpa的范围内；高温试验夹具，设于高温环境装置内，高温试验夹具用于将试样固定于高温环境装置内。本申请提供的一种高温高压氢气蠕变疲劳试验装置，通过抽真空接口连接真空泵或氢气供给装置，将高温环境装置内进行抽真空处理，然后通入足量的氢气，同时通过发热体进行加热，最高能够在900℃、2Mpa的高温高压环境下进行试样的蠕变或疲劳试验。

Description

一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及高温高压下金属材料的力学性能实验技术领域，更具体地说，涉及一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置。

背景技术

由于航空航天技术、石油化工及国防装备的不断发展，对于材料在极端环境下的力学性能研究变得尤为重要，因此必须了解材料在高温且有氢气环境下各项力学性能的指标，为不同工况下的选材提供强有力的证据。社会的发展、国家的进步，都离不开对于各种材料不同工况力学性能的研究，尤其在航空航天及军工领域都需要有检测评价高温材料力学性能的手段。

目前，现有的高温氢气环境下的应力试验仅局限于450℃以下，虽然常温下氢气的性质稳定，不易于其他物质发生化学反应，但在高温环境下与氧气发生化合反应易燃烧、爆炸。因此在高温高压氢气环境下试验的密封措施及安全措施尤为重要。同时由于氢气的比热大、导热性能好，压力越高导热性越强，对于试验夹具及形变量测量装置的耐高温能力也是一个很大的考验。

综上所述，如何提高应力试验装置的适用范围，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高温高压氢气蠕变疲劳试验装置，该装置能够在最高900℃、2Mpa的环境下进行试样的蠕变或疲劳试验。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高温高压氢气蠕变疲劳试验装置，包括：

主机框架；

加载驱动系统，设于主机框架，加载驱动系统用于提供试验所需的加载力；

高温环境装置，设于主机框架，高温环境装置设有抽真空接口与发热体，抽真空接口用于连接真空泵或氢气供给装置，所述发热体用于将高温环境装置内部加热至450℃至900℃的范围内，真空泵用于将高温环境装置内部压强提高至1.01Mpa至2Mpa的范围内；

高温试验夹具，设于高温环境装置内，高温试验夹具用于将试样固定于高温环境装置内。

优选地，主机框架包括上横梁、工作台、吊架、第一立柱、角钢、手控盒与主机侧立柱，上横梁通过多个第一立柱固定于工作台的上方，吊架固定于主机侧立柱并设于高温环境装置的正上方，角钢设于工作台的外侧，手控盒固定于主机侧立柱。

优选地，加载驱动系统包括伺服电机、齿形带、减速器、滚珠丝杠、下拉管、支撑筒与测力传感器组件，伺服电机与减速器连接，减速器通过齿形带与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠设于支撑筒内，滚珠丝杠的另一端与下拉管的下端部连接，下拉管的上端与测力传感器组件连接。

优选地，高温环境装置还包括底座、水冷拉杆、钟罩、上保温盖、下保温盖、第二立柱、反向架上横梁、接电电极、安全阀、差动变压器安装座、压力变送器与吊装环，底座设于横梁上，钟罩可拆卸的固定于底座，水冷拉杆与测力传感器组件连接，安全阀、压力变送器与吊装环均设于钟罩的上表面。

优选地，钟罩为中空部件，发热体、上保温盖、第二立柱与反向架上横梁均设于钟罩内，上保温盖的上端面与钟罩内壁的上端面之间设有间隙，上保温盖的下端面设有凹槽，发热体为环状件，反向架上横梁设于第二立柱上端的外周，第二立柱设于上保温盖的凹槽与发热体的内周。

优选地，还包括水冷机，水冷机设于钟罩的外侧，水冷机与水冷拉杆连通，水冷机用于向水冷拉杆内通入循环水。

优选地，还包括电控柜，电控柜与高温环境装置、水冷机连接并用于控制发热体与水冷机的开闭状态。

优选地，还包括电脑组件，电脑组件与电控柜、加载驱动系统电连接，电脑组件用于对试验参数及条件进行设置。

本发明提供的一种高温高压氢气蠕变疲劳试验装置，通过高温环境装置上的抽真空接口连接真空泵或氢气供给装置，在实验开始前将高温环境装置内进行抽真空处理，然后通入足量的氢气，使内部压强最高能够达到2Mpa，同时通过发热体进行加热至最高900℃，由高温试验夹具将试样固定于高温环境装置内部，通过加载驱动系统提供加载力，从而选择性的进行蠕变试验或疲劳试验，相较于现有技术，本发明提高了应力试验装置的适用范围，能够在最高900℃、2Mpa的高温高压环境下进行试样的蠕变疲劳试验。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的加载驱动系统的结构示意图；

图3为本发明所提供的加载驱动系统的局部剖视图；

图4为本发明所提供的高温环境装置的结构示意图；

图5为本发明所提供的高温环境装置的局部剖视图。

图1至图5中，附图标记包括：

1为主机框架、1-1为上横梁、1-2为工作台、1-3为吊架、1-4为第一立柱、1-5为角钢、1-6为手控盒、1-7为主机侧立柱；

2为加载驱动系统、2-1为伺服电机、2-2为齿形带、2-3为减速器、2-4为滚珠丝杠、2-5为下拉管、2-6为支撑筒、2-7为测力传感器组件；

3为高温环境装置、3-1为底座、3-2为水冷拉杆、3-3为钟罩、3-4为发热体、3-5为上保温盖、3-6为下保温盖、3-7为第二立柱、3-8为反向架上横梁、3-9为接电电极、3-10为安全阀、3-11为差动变压器安装座、3-12为压力变送器、3-13为吊装环；

4为电控柜、5为水冷机、6为电脑组件。

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。

本发明的核心是提供一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，该蠕变疲劳试验装置能够。

本申请提供的一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，包括：主机框架1；加载驱动系统2，设于主机框架1，加载驱动系统2用于提供试验所需的加载力；高温环境装置3，设于主机框架1，高温环境装置3设有抽真空接口与发热体3-4，抽真空接口用于连接真空泵或氢气供给装置，发热体3-4用于将高温环境装置3内部加热至450℃到900℃的范围内，真空泵用于将高温环境装置3内部压强提高至1.01Mpa至2Mpa的范围内；高温试验夹具，设于高温环境装置3内，高温试验夹具用于将试样固定于高温环境装置3内。

其中，高温环境装置3上设有抽真空接口，可在充入氢气前对高温环境装置3进行抽真空，完成抽真空后再充入氢气进行试验。高温环境装置3的主要作用是提供一个高温、高压的试验环境，并且具备与加载驱动系统2匹配的加载接口、与加热系统匹配的电加热接口和温度测量接口、与充气系统匹配的充放气接口和压力测量接口、与变形测量系统匹配的变形测量安装接口以及相关安全保护接口等。

具体来说，请参考附图1与附图5，抽真空接口与真空泵连接，先通过真空泵将高温环境装置3进行抽真空处理，完成抽真空后将抽真空接口与氢气供给装置连通，再充入足量的氢气，由发热体3-4进行加热至一定的温度后进行试验，高温环境装置3内设有压力传感器与温度传感器，通入氢气的过程中通过压力传感器对高温环境装置3内的压力及温度进行实时监测，以便于控制高温环境装置3内的压力与温度，保证高温试验环境3内部的温度最高能够达到900℃，压力最高能够达到2Mpa，高温环境装置3内设有高温试验夹具，高温试验夹具能够夹持试样并将试样固定于高温环境装置3的内部，加载驱动系统2设置于高温环境装置3的下方，加载驱动系统2用于提供试验所需的加载力，能够选择性的完成试样在充满氢气的高温、高压环境下的蠕变或疲劳试验，工作最高温度为900℃，且在高压氢气环境中温度越高，压强越大，氢气的导热性能越好，试验精确度越高。

在上述实施例的基础之上，主机框架1包括上横梁1-1、工作台1-2、吊架1-3、第一立柱1-4、角钢1-5、手控盒1-6与主机侧立柱1-7，上横梁1-1通过多个第一立柱1-4固定于工作台1-2的上方，吊架1-3固定于主机侧立柱1-7并设于所述高温环境装置3的正上方，角钢1-5设于工作台1-2的外侧，手控盒1-6固定于吊架1-3。

具体来说，上横梁1-1通过四个第一立柱1-4固定于工作台1-2的上方，且上横梁1-1水平设置，上横梁1-1与第一立柱1-4通过螺栓可拆卸连接，吊架1-3通过主机侧立柱1-7固定于工作台1-2的上端面，主机侧立柱1-7为L型杆，能够使得吊架1-3固定于高温环境装置3的正上方，工作台1-2的外侧的四个沿竖直方向的边角设有角钢1-5，吊架1-3上设有手控盒1-6，通过手控盒1-6能够调整吊架1-3的位置。

在上述实施例的基础之上，加载驱动系统2包括伺服电机2-1、齿形带2-2、减速器2-3、滚珠丝杠2-4、下拉管2-5、支撑筒2-6与测力传感器组件2-7，伺服电机2-1与减速器2-3连接，减速器2-3通过齿形带2-2与滚珠丝杠2-4连接，滚珠丝杠2-4设于支撑筒2-6内，滚珠丝杠2-4的另一端与下拉管2-5的下端部连接，下拉管2-5的上端与测力传感器组件2-7连接。

具体来说，请参考附图2与附图3，伺服电机2-1与减速器2-3相连，减速器2-3输出孔与滚珠丝杠2-4相连，滚珠丝杠2-4与下拉管2-5相连，试验过程中，伺服电机2-1运转，滚珠丝杠2-4带动下拉管2-5在支撑筒2-6内上下往复运动，通过加载驱动系统2能够为试验提供所需要的加载力。

在上述实施例的基础之上，高温环境装置3包括底座3-1、水冷拉杆3-2、钟罩3-3、上保温盖3-5、下保温盖3-6、第二立柱3-7、反向架上横梁3-8、接电电极3-9、安全阀3-10、差动变压器安装座3-11、压力变送器3-12与吊装环3-13，底座3-1设于横梁1-1上，钟罩3-3可拆卸的固定于底座3-1，水冷拉杆3-2与测力传感器组件2-7连接，安全阀3-10、压力变送器3-12与吊装环3-13均设于钟罩3-3的上表面。

其中，加载驱动系统2上的测力传感器组件2-7与水冷拉杆3-2相连，即可为高温试验夹具提供加载力，水冷拉杆3-2内装有冷却水，用于降温，防止由于温度的过高导致氢气的泄漏。

具体来说，请参考附图4，底座3-1安装在上横梁1-1台面上，钟罩3-3通过螺钉和螺母安装在底座3-1上，高温环境装置3是安装使用在充气条件下，高温加热炉的外部容器，并与主机框架1、加载驱动系统2、高温试验夹具等配合完成高温蠕变、持久、疲劳、断裂韧性的试验。

在上述实施例的基础之上，钟罩3-3为中空部件，发热体3-4、上保温盖3-5、第二立柱3-7与反向架上横梁3-8均设于钟罩3-3内，上保温盖3-5的上端面与钟罩3-3内壁的上端面之间设有间隙，上保温盖3-5的下端面设有凹槽，发热体3-4为环状件，反向架上横梁3-8设于第二立柱3-7上端的外周，第二立柱3-7设于上保温盖3-5的凹槽与发热体3-4的内周。

具体来说，请参考附图5，钟罩3-3上留有压力变送器3-12对应的接口、安全阀3-10对应的接口和吊装环3-13结构，钟罩3-3通过主机框架1上的电动吊架1-3装置进行上下移动。高温试验夹具整体为反向架结构，试样通过安装在底座3-1上的双第二立柱3-7和反向架上横梁3-8组成的门式结构，挂在高温环境装置3内部，由此可以根据试验试样需求对高温试验夹具进行快速换型。

可选的，反向架上横梁3-8、立柱3-7以及锁紧螺母等由于工作温度较高，均采用高温合金材料。

在一些实施例中，还包括水冷机5，水冷机5设于所述钟罩3-3的外侧，水冷机5与水冷拉杆3-2连通，水冷机5用于向水冷拉杆3-2内通入循环水。

具体来说，水冷机5与水冷拉杆3-2连通，通过水冷机5能够实现水冷拉杆3-2内的循环水冷却，能够防止由于温度过高所导致的高温环境装置3的氢气泄漏。

在上述实施例的基础之上，还包括电控柜4，电控柜4与高温环境装置3、水冷机5连接并用于控制发热体3-4与水冷机5的开闭状态。

具体来说，电控柜4为加热和水冷操作系统,配有温控仪表，具备控温PID自整定功能，通过开关可启动或停止高温环境装置3内的加热系统或水冷机5。温度控制系统内置于主机内部，缩短补偿导线长度，减少温度信号长距离传输的衰减及干扰。提升系统集成度，克服温控柜占地面积大、布线繁琐的弊端。

在上述实施例的基础之上，还包括电脑组件6，电脑组件6与电控柜4、加载驱动系统2电连接，电脑组件6用于对试验参数及条件进行设置。

具体来说，电脑组件6可使用配套的软件对试验参数及条件进行设置，试验数据可导入excel软件下进行编辑；试样试验时的负荷、位移具有多种显示模态，如瞬时值、峰谷值、平均值等；能够直接通过显示屏显示试验频率、疲劳次数等工程量，可直接打印试验结果、试验曲线等，能够更加直观的观察试验结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，包括：

主机框架(1)；

加载驱动系统(2)，设于所述主机框架(1)，所述加载驱动系统(2)用于提供试验所需的加载力；

高温环境装置(3)，设于所述主机框架(1)，所述高温环境装置(3)设有抽真空接口与发热体(3-4)，所述抽真空接口用于连接真空泵或氢气供给装置，所述发热体(3-4)用于将所述高温环境装置(3)内部加热至450℃到900℃的范围内，所述真空泵用于将所述高温环境装置(3)内部压强提高至1.01Mpa至2Mpa的范围内；

高温试验夹具，设于所述高温环境装置(3)内，所述高温试验夹具用于将试样固定于所述高温环境装置(3)内。

2.根据权利要求1所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述主机框架(1)包括上横梁(1-1)、工作台(1-2)、吊架(1-3)、第一立柱(1-4)、角钢(1-5)、手控盒(1-6)与主机侧立柱(1-7)，所述上横梁(1-1)通过多个所述第一立柱(1-4)固定于所述工作台(1-2)的上方，所述吊架(1-3)固定于所述主机侧立柱(1-7)并设于所述高温环境装置(3)的正上方，所述角钢(1-5)设于所述工作台(1-2)的外侧，所述手控盒(1-6)固定于所述主机侧立柱(1-7)。

3.根据权利要求2所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述加载驱动系统(2)包括伺服电机(2-1)、齿形带(2-2)、减速器(2-3)、滚珠丝杠(2-4)、下拉管(2-5)、支撑筒(2-6)与测力传感器组件(2-7)，所述伺服电机(2-1)与所述减速器(2-3)连接，所述减速器(2-3)通过所述齿形带(2-2)与所述滚珠丝杠(2-4)连接，所述滚珠丝杠(2-4)设于所述支撑筒(2-6)内，所述滚珠丝杠(2-4)的另一端与所述下拉管(2-5)的下端部连接，所述下拉管(2-5)的上端与所述测力传感器组件(2-7)连接。

4.根据权利要求3所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述高温环境装置(3)还包括底座(3-1)、水冷拉杆(3-2)、钟罩(3-3)、上保温盖(3-5)、下保温盖(3-6)、第二立柱(3-7)、反向架上横梁(3-8)、接电电极(3-9)、安全阀(3-10)、差动变压器安装座(3-11)、压力变送器(3-12)与吊装环(3-13)，所述底座(3-1)设于所述横梁(1-1)上，所述钟罩(3-3)可拆卸的固定于所述底座(3-1)，所述水冷拉杆(3-2)与所述测力传感器组件(2-7)连接，所述安全阀(3-10)、所述压力变送器(3-12)与所述吊装环(3-13)均设于所述钟罩(3-3)的上表面。

5.根据权利要求4所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述钟罩(3-3)为中空部件，所述发热体(3-4)、所述上保温盖(3-5)、所述第二立柱(3-7)与所述反向架上横梁(3-8)均设于所述钟罩(3-3)内，所述上保温盖(3-5)的上端面与所述钟罩(3-3)内壁的上端面之间设有间隙，所述上保温盖(3-5)的下端面设有凹槽，所述发热体(3-4)为环状件，所述反向架上横梁(3-8)设于所述第二立柱(3-7)上端的外周，所述第二立柱(3-7)设于所述上保温盖(3-5)的凹槽与所述发热体(3-4)的内周。

6.根据权利要求4所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，还包括水冷机(5)，所述水冷机(5)设于所述钟罩(3-3)的外侧，所述水冷机(5)与所述水冷拉杆(3-2)连通，所述水冷机(5)用于向所述水冷拉杆(3-2)内通入循环水。

7.根据权利要求6所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，还包括电控柜(4)，所述电控柜(4)与所述高温环境装置(3)、所述水冷机(5)连接并用于控制所述发热体(3-4)与所述水冷机(5)的开闭状态。

8.根据权利要求7所述的高温高压氢气环境的蠕变疲劳试验装置，其特征在于，还包括电脑组件(6)，所述电脑组件(6)与所述电控柜(4)、所述加载驱动系统(2)电连接，所述电脑组件(6)用于对试验参数及条件进行设置。