CN203275200U

CN203275200U - 基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置

Info

Publication number: CN203275200U
Application number: CN 201320301184
Authority: CN
Inventors: 郑津洋; 花争立; 欧可升; 赵永志; 周池楼; 刘骁; 李静媛; 施建峰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-05-28

Abstract

本实用新型涉及材料力学性能测试设备，旨在提供一种基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置。该装置的高压氢气环境箱内部设圆筒形的试样支架；加载杆的下端连接主机的动力输出装置，其上端贯穿端盖并伸入试样支架中与试样夹具相连；在试样支架顶部开孔以下的内部空间里盛装有离子液体；端盖的底部设有平衡腔，由端盖末端延伸段、连接加载杆的活塞和平衡腔密封底盖构成，加载杆上设载荷传感器。本实用新型中平衡腔与高压氢气环境箱之间利用离子液体实现压力传递，避免了使用氢气传递压力所存在的氢气泄漏隐患；装置中所有高压动密封元件均与离子液体接触而非高压氢气，避免了氢气泄漏，提高了装置安全性。

Description

基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置

技术领域

本实用新型属于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及一种基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置。

背景技术

随着能源危机的日益突出和环境污染的不断加剧，世界各国都加紧了对新能源的探索步伐。氢能以其来源多样、洁净环保、可储存和可再生等优点，可同时满足资源、环境和可持续发展的要求，是未来极具发展潜力的二次能源。在氢能应用的过程中，氢气多以高压形式进行储存和运输。为了满足车辆续驶里程的需求，高压储氢的压力已达到70 MPa及以上。然而，对于长期与高压氢气直接接触的材料，其性能会出现不同程度的劣化，如韧性降低、裂纹扩展速率加快、疲劳寿命下降等，严重时可导致设备在设计寿命周期内突然失效，危及人身和财产安全。

为了评价不同材料在高压氢环境下的耐久性，获得相应的可用于指导储氢、输氢装置设计的力学性能数据，有效的方法是在现有常规材料力学性能试验机主机上对接高压氢气环境箱进行测试。然而，世界各国目前在此类设备的开发过程中都面临着如下的技术难题：

（1）高压氢气环境箱充氢缓慢，试验耗时长。由于氢气易燃、易爆，通常采用气动氢气增压泵来对高压氢气环境箱进行充装。然而，此类增压泵随着额定最大出口压力的提升，对应流量逐渐减小，要将高压氢气环境箱加压到试验压力（100~200 MPa），一般要数小时，试验效率较低。

（2）施加到试样上的真实载荷无法较为准确的测量。目前，用于测量载荷的载荷传感器有两种布置方法：一种是置于高压氢气环境箱内部，即内置式；另一种是安装在环境箱外部，称为外置式。内置式载荷传感器的敏感元件会受高压氢气影响，在使用一段时间后，其阻值等性能将发生变化，造成测量结果失真。外置式载荷传感器测量的数值包含了高压动密封处（加载杆与O型圈密封之间）摩擦力的影响，且该摩擦力随着时间发生变化，无法的数值上对其进行简单的剔除。

（3）高压动密封无法确保氢气无泄漏，造成安全隐患。氢气是极易发生泄漏的气体，且易燃、易爆。高压氢气环境箱的设计压力通常为100~200 MPa。在现有试验装置中，高压氢气直接与O型圈密封接触。在进行材料疲劳性能试验时，加载杆要不断与O型圈密封之间发生相对的往复运动，与O型圈密封直接接触的高压氢气易发生泄漏，存在较大安全隐患。

（4）高压氢气环境箱内氢气会对加载杆产生高达数吨的作用力，在试样断裂时，这部分作用力对试验装置主机产生巨大冲击，降低其控制精度及寿命。

专利[201110259252.2]中提出一种在中空式加载杆内部贴设载荷敏感元件的方法来克服动摩擦力和高压氢气对试样上真实载荷测量的影响。不过由于加载杆在试验过程中变形量很小，这就造成载荷敏感元件测量灵敏度较低；且这种贴片方式需在现场完成，通用性和精度相对较差。专利[201110259252.2]中所提出的试验机存在充氢缓慢、耗时长，并且与O型圈密封直接接触的高压氢气易发生泄漏的问题。

为解决上述技术难题，可在现有试验装置中引入一种满足试验基本要求的液体，利用液体较低的压缩系数对高压氢气环境箱内氢气实现快速加压，提高效率；另外可借助液体隔离内置式载荷传感器及O型圈密封与高压氢气的接触，防止了载荷传感器受高压氢气的影响，并可在一定程度上避免O型圈密封处氢气的泄漏。

离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。离子液体无味、不燃，其蒸汽压极低，常态下几乎不挥发，因此可用于高真空体系或不允许有挥发的场合中。高压氢环境下材料试验装置中环境箱内的氢气纯度一般要求达到99.999%及以上的水平。因此，如果想在高压氢气环境箱内加入液态介质以克服现有环境箱中的技术不足，离子液体是理想的选择。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服当前现有技术中的不足，提出一种基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置，包括具有动力输出装置的主机、设计压力为100~200 MPa的高压氢气环境箱、气动氢气增压泵、真空泵、氢气瓶组及控制系统；高压氢气环境箱由密闭接合的环境箱箱体和底部端盖组成，其内部设圆筒形的试样支架；试样支架底部与端盖连接，其顶部设有用于装夹试样的开孔，位于试样支架内部的试样夹具与该开孔相对设置；加载杆的下端连接主机的动力输出装置，其上端贯穿端盖并伸入试样支架中与试样夹具相连；在试样支架顶部开孔以下的内部空间里盛装有离子液体；端盖的底部设有平衡腔，由端盖末端延伸段、连接加载杆的活塞和平衡腔密封底盖构成；平衡腔内盛装离子液体且腔壁上设离子液体接口，加载杆中心的竖直方向设离子液体通道，其一端开口于平衡腔内，另一端开口于试样支架内；加载杆上设载荷传感器，载荷传感器的内部元件由绝缘涂层覆盖，所述离子液体淹没载荷传感器以及加载杆与端盖之间的O型圈密封元件；端盖上设引出导线通道和气体接口，气体接口一端与伸入试样支架的气体通道相连，另一端通过管路与气动氢气增压泵和真空泵相接。

本实用新型中，伸入试样支架中的加载杆对应部分的截面积与平衡腔内离子液体对活塞的作用面积相同。

本实用新型中，所述试样支架内离子液体表面设置聚乙烯材料的浮动圆盘，浮动圆盘与加载杆及试样支架之间为间隙配合。

本实用新型中，端盖上设有用于观察监测离子液体泄漏的大气连通通道，大气连通通道连接至与平衡腔相对的活塞另一侧的空腔。

本实用新型中，还包括离子液体储存装置和气动液体增压泵，依次通过管路连接至离子液体接口。

本实用新型中，还包括通过管路连接至气体接口的氩气瓶组。

本实用新型中，所述试样支架为圆筒形，其顶部的开孔有两个，呈槽形。

本实用新型中，所述环境箱箱体和端盖通过螺栓接合，试样支架底部与端盖通过螺纹连接。

本实用新型中，还有两根竖向的导向立柱，上导向环板和环境箱支撑板贯设于导向立柱上，高压氢气环境箱的上部和下部分别与上导向环板和环境箱支撑板相接；上导向环板上设环境箱箱体升降液压缸。

本实用新型中利用前述装置的操作方法，包括以下步骤：

（1）分离高压氢气环境箱箱体与端盖，将试样装夹于试样支架顶部开孔和试样夹具之间；设定好离子液体液位后，再用螺栓密闭接合箱体与端盖；

（2）用真空泵抽掉高压氢气环境箱内空气，接着用氩气进行若干次置换，再用氢气进行若干次置换，直至高压氢气环境箱内氢气纯度达到要求；然后，用气动氢气增压泵对高压氢气环境箱进行氢气充装，直至压力达到设定的过渡压力；

（3）利用气动液体增压泵向高压氢气环境箱内充装离子液体，离子液体不断压缩氢气，氢气压力及离子液体压力逐渐上升直至达到试验压力，停止加压；

（4）开始试验，记录数据；试验结束后，首先泄放高压氢气环境箱内的高压氢气；然后，用真空泵将高压氢气环境箱内剩余氢气抽空，再用氩气进行若干次置换；分离高压氢气环境箱箱体与端盖，取出试样。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

采用气动氢气增压泵与离子液体加压相结合的增压方式，降低了对气动氢气增压泵额定最大出口压力的要求，其对应流量相应提升，气动氢气增压泵加压过程明显加快，且基于气动液体增压泵的离子液体加压阶段耗时很短，因此，整个高压氢气环境箱加压时间可大幅缩短；载荷传感器被离子液体淹没，隔离了高压氢气与载荷传感器的接触，避免其受高压氢气影响；平衡腔与高压氢气环境箱之间利用离子液体实现压力传递，避免了使用氢气传递压力所存在的氢气泄漏隐患；装置中所有高压动密封元件均与离子液体接触而非高压氢气，一定程度上避免了氢气泄漏，提高了装置安全性；所选离子液体具有容易辨识的颜色，如果高压动密封处发生泄漏，可很快发现泄漏并初步确定泄漏位置。

附图说明

图1为本实用新型的总体装置示意图；

图2为高压氢气环境箱及其内部结构图；

图3为设于试样支架顶部的槽型开孔。

图中的附图标记为：导向立柱1、环境箱箱体升降液压缸2、上导向环板3、高压氢气环境箱4、环境箱支撑板5、氢气瓶组6、氩气瓶组7、气动氢气增压泵8、主机9、离子液体储存装置10、气动液体增压泵11、控制系统12、真空泵13、环境箱箱体14、圆筒形试样支架15、试样夹具16、加载杆17、气体通道18、离子液体通道19、端盖20、气体接口21、活塞22、离子液体接口23、平衡腔密封底盖24、平衡腔25、大气连通通道26、O型圈密封27、引出导线通道28、载荷传感器29、离子液体30、浮动圆盘31、试样32、槽形开孔33。

具体实施方式

本实施例中的基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置，如图1所示，包括高压氢气环境箱4、具有动力输出的主机9，提供高压氢气的氢气瓶组6和气动氢气增压泵8，提供高压离子液体的离子液体储存装置10和气动液体增压泵11、用于高压氢气环境箱4中抽真空的真空泵13、用于置换的氩气瓶组7，以及整个试验装置的控制系统12等。高压氢气环境箱4由环境箱支撑板5固定支撑，其开启和闭合由环境箱箱体升降液压缸2、上导向环板3和导向立柱1共同实现。

如图2所示，高压氢气环境箱4由环境箱箱体14和端盖20组成，二者通过螺栓实现密闭接合。传递轴向载荷的加载杆17下端连接主机9的动力输出装置，上端贯穿端盖20，并深入环境箱箱体14中与试样夹具16相连，为试样32提供轴向力。圆筒形试样支架15底部与端盖20通过螺纹连接，且在其顶部相对的两个位置开设两个槽形开孔33，以方便试样32的装夹；在圆筒形试样支架15内部、槽形开孔33以下的空间内，盛装离子液体30，液体淹没与加载杆17连接的载荷传感器29以及加载杆17与端盖20之间的O型圈密封27。载荷传感器29内部元件由绝缘涂层覆盖。为避免加载杆17轴向运动引起的液体波动，离子液体30表面设置聚乙烯材料的浮动圆盘31。浮动圆盘31与载荷加载杆17及圆筒形试样支架15之间为间隙配合。端盖20底部有平衡腔25，由连接加载杆17的活塞22和平衡腔密封底盖24构成；离子液体通过离子液体接口23进入并充满平衡腔25，且经由加载杆17中心的离子液体通道19进入圆筒形试样支架15内，从而保证了平衡腔25与高压氢气环境箱4内的压力时刻保持相同。另外，伸入高压氢气环境箱4中的加载杆17对应部分的截面积与平衡腔25内离子液体对活塞22的作用面积相同。因此，高压氢气环境箱4内的高压流体对加载杆17作用的向下的推力与平衡腔25内离子液体对加载杆17产生的向上的推力始终相等，避免了试样32断裂时加载杆17对主机9产生的冲击。端盖20上还设置有气体接口21、引出导线通道28，以及用来观察监测离子液体泄漏的大气连通通道26。其中，气体接口21与伸入圆筒形试样支架15的气体通道18相连。

所述基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置的操作方法，如图1和2所示，首先启动环境箱箱体升降液压缸2，分离环境箱箱体14与端盖20，使槽形开孔33完全暴露在环境箱箱体14之外，装夹好试样32并使离子液体30的液位处于正好淹没载荷传感器29的位置后，用螺栓密闭接合环境箱箱体14与端盖20；其次用真空泵13抽空高压氢气环境箱4内的空气，接着连通氩气瓶组7和气动氢气增压泵8，利用氩气对环境箱箱体14进行若干次置换，再接通氢气瓶组6和气动氢气增压泵8，利用低压氢气对环境箱箱体14进行若干次置换，直至环境箱箱体14内的氢气纯度达到试验要求；再次，采用气动氢气增压泵8对高压氢气环境箱4内进行高压氢气充装，直至高压氢气环境箱4内压力达到设定的过渡压力；然后，利用气动液体增压泵11向高压氢气环境箱4内充装离子液体，离子液体不断压缩高压氢气，氢气及离子液体压力逐渐上升，直至其压力达到试验压力，停止加压；最后，开始试验，记录数据。试验结束后，首先泄放高压氢气环境箱4内的高压氢气；然后，用真空泵13将高压氢气环境箱4内的氢气抽空，再用氩气进行若干次置换；最后方可分离环境箱箱体14与端盖20，取出试样32。

如上所述，高压氢气环境箱4采用气动氢气增压泵8与离子液体加压相结合的增压方式，相对于传统的仅采用气动氢气增压泵的加压方式，该方法降低了对气动氢气增压泵8额定最大出口压力的要求。对同一系列的气动氢气增压泵而言，额定最大出口压力降低，其对应流量相应提升，从而气动氢气增压泵加压过程明显加快，且基于气动液体增压泵11的离子液体加压阶段耗时很短。因此，整个高压氢气环境箱4加压时间可大幅缩短。例如，对于最高工作压力为100 MPa的高压氢气环境箱4，假设气动氢气增压泵8充装高压氢气到过渡压力P后，高压氢气环境箱4内的氢气体积为V。而经过离子液体加压压缩后（高压氢气环境箱4内的压力达到100 MPa），氢气的体积为（2/3）V，即高压氢气环境箱4内通过气动液体增压泵11充装的离子液体的体积为（1/3）V。则试验中高压氢气环境箱4内充装的氢气质量m等于50.5×（2/3）V，（氢气在100 MPa、15℃的状态下密度为50.5 kg/m³）。经计算可得，当上述质量为m的氢气的体积为V时，对应密度为33.7 kg/m³，对应的氢气压力（即过渡压力P）约为55 MPa。因此，气动氢气增压泵8的额定最大出口压力大于55 MPa即可，相对于传统的仅采用气动氢气增压泵的加压方式，气动氢气增压泵8额定最大出口压力由100 MPa降低至55 MPa。从而，不仅气动氢气增压泵的平均流量可较大提升，且气动氢气增压泵仅需将氢气加压到55 MPa，余下的压升由增压速率相对很快的气动液体增压泵11完成，整个高压氢气环境箱4加压时间可大幅缩短。

如图2所示，载荷传感器29被离子液体30淹没，隔离了高压氢气与载荷传感器29的接触，避免其受高压氢气的影响；而且载荷传感器29位于加载杆17首道O型圈密封27的上侧，避免了其测量结果受动摩擦力的影响，保证了载荷传感器29测得的载荷大小即为施加到试样32上的真实载荷。平衡腔25与高压氢气环境箱4之间利用离子液体实现压力传递，避免了使用氢气传递压力所存在的氢气泄漏隐患；装置中所有高压动密封元件（如O型圈密封27）均与离子液体接触而非高压氢气，在一定程度上避免了氢气泄漏，提高了装置安全性；整套装置中所选用的离子液体具有容易辨识的颜色，如果高压动密封处发生泄漏，可通过观察很快发现泄漏并初步确定泄漏位置。

以上所述，仅是本实用新型的一个实施案例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，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。

凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案范围内。

Claims

1.一种基于离子液体的高压氢环境下材料试验装置，包括具有动力输出装置的主机、设计压力为100~200 MPa的高压氢气环境箱、气动氢气增压泵、真空泵、氢气瓶组及控制系统；其特征在于：高压氢气环境箱由密闭接合的环境箱箱体和底部端盖组成，其内部设圆筒形的试样支架；试样支架底部与端盖连接，其顶部设有用于装夹试样的开孔，位于试样支架内部的试样夹具与该开孔相对设置；加载杆的下端连接主机的动力输出装置，其上端贯穿端盖并伸入试样支架中与试样夹具相连；在试样支架顶部开孔以下的内部空间里盛装有离子液体；端盖的底部设有平衡腔，由端盖末端延伸段、连接加载杆的活塞和平衡腔密封底盖构成；平衡腔内盛装离子液体且腔壁上设离子液体接口，加载杆中心的竖直方向设离子液体通道，其一端开口于平衡腔内，另一端开口于试样支架内；加载杆上设载荷传感器，载荷传感器的内部元件由绝缘涂层覆盖，所述离子液体淹没载荷传感器以及加载杆与端盖之间的O型圈密封元件；端盖上设引出导线通道和气体接口，气体接口一端与伸入试样支架的气体通道相连，另一端通过管路与气动氢气增压泵和真空泵相接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，伸入试样支架中的加载杆对应部分的截面积与平衡腔内离子液体对活塞的作用面积相同。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试样支架内离子液体表面设置聚乙烯材料的浮动圆盘，浮动圆盘与加载杆及试样支架之间为间隙配合。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于，端盖上设有用于观察监测离子液体泄漏的大气连通通道，大气连通通道连接至与平衡腔相对的活塞另一侧的空腔。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于，还包括离子液体储存装置和气动液体增压泵，依次通过管路连接至离子液体接口。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括通过管路连接至气体接口的氩气瓶组。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述试样支架顶部的开孔有两个，呈槽形。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述环境箱箱体和端盖通过螺栓接合，试样支架底部与端盖通过螺纹连接。

9.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还有两根竖向的导向立柱，上导向环板和环境箱支撑板贯设于导向立柱上，高压氢气环境箱的上部和下部分别与上导向环板和环境箱支撑板相接；上导向环板上设环境箱箱体升降液压缸。